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WO2015135712A1 - Verfahren zum fügen eines stahlteils mit einem faserverstärkten kunststoffteil mittels eines verbindungselements - Google Patents

Verfahren zum fügen eines stahlteils mit einem faserverstärkten kunststoffteil mittels eines verbindungselements Download PDF

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WO2015135712A1
WO2015135712A1 PCT/EP2015/052814 EP2015052814W WO2015135712A1 WO 2015135712 A1 WO2015135712 A1 WO 2015135712A1 EP 2015052814 W EP2015052814 W EP 2015052814W WO 2015135712 A1 WO2015135712 A1 WO 2015135712A1
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WO
WIPO (PCT)
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connecting element
joining
joining part
arms
parts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/052814
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. Sven JÜTTNER
Thomas Grosse
Andreas Fricke
Dr. Klaus DRÖDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of WO2015135712A1 publication Critical patent/WO2015135712A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B29L2031/3002—Superstructures characterized by combining metal and plastics, i.e. hybrid parts
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    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3055—Cars
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    • F16B11/006—Connecting constructional elements or machine parts by sticking or pressing them together, e.g. cold pressure welding by gluing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B15/00—Nails; Staples
    • F16B15/0023—Nail plates

Definitions

  • the invention relates to a method for joining a steel-containing joining part with a fiber-reinforced plastic-containing joining part by means of a connecting element.
  • the invention relates to a body part for a motor vehicle and a
  • Connecting element for joining a steel-containing joining part with a fiber-reinforced plastic-containing joining part Connecting element for joining a steel-containing joining part with a fiber-reinforced plastic-containing joining part.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • carbon to call.
  • Steel body panels are commonly joined together using standard welding techniques such as resistance spot welding and MIG welding.
  • Joining technologies for the connection of different material pairings, for example of steel-containing parts with aluminum-containing parts are based on known mechanical and thermal joining methods. For example, it is known to connect steel-containing parts with aluminum-containing parts by means of punch rivets, nails, screws and clinching with each other. These procedures require, in part, the introduction of previous drilling. Furthermore, it is known that steel parts with aluminum-containing parts by additional connecting elements by means of resistance welding together. Again, this is the introduction of
  • the fiber structures of the FVK-containing joining part are at least partially destroyed by the introduction of holes, rivets or screws. Furthermore, multi-stage joining processes, for example due to the previous introduction of holes, make the automation of the manufacturing process more difficult.
  • DE 100 60 390 A1 describes a stamped riveting method.
  • a punch rivet is driven through a first material by means of a punch and connected to a second, resting on a die material. After driving the punch rivet through the first material, the die-side material can be selectively heated.
  • DE 10 2004 025 492 A1 describes a method for joining two joining parts, for example a steel sheet with a light metal sheet or a plastic component, by means of mechanical driving and welding of a joining element.
  • the joining element is designed for this purpose as a rivet or bolt with a cutting edge.
  • the object of the present invention is to further improve a method for joining a steel-containing joining part with a fiber-reinforced plastic-containing joining part in such a way that the fiber structure is not or only slightly destroyed and the automation of the manufacturing process is further improved. Furthermore, it is an object of the invention, a body part for a motor vehicle
  • the body part has at least one steel-bearing joining part and a fiber-reinforced plastic-containing joining part and the fiber-reinforced plastic joining part would not or only slightly destroyed when joining the two parts to be joined.
  • a connecting element for connecting at least two joining parts wherein the first joining part comprises steel and the second joining part has a fiber-reinforced plastic, to further improve such that through the
  • plastic-containing adherend is not or only slightly destroyed.
  • a method for joining at least two joining parts by means of at least one connecting element is proposed according to the invention.
  • a first joining part has steel or is made of steel.
  • a second adherend comprises a fiber reinforced plastic, such as a carbon fiber reinforced plastic.
  • the method according to the invention has the following steps, wherein no compelling sequence of the steps is predetermined by these method steps: a) Arranging the two joining parts together.
  • the two joining parts are arranged in such a way that a first side surface of the first joining part is at least partially in direct contact with a first side surface of the second joining part or that the two joining parts are connected to one another via an adhesive arranged between the two joining parts; b) placing the connecting element on a second side surface of the second joining part; c) heating the joining element; d) exerting a force on the connecting element until at least two arms of the connecting element have penetrated the second joining part and are in contact with the first side surface of the first joining part; e) welding the connecting element with the first joining part.
  • the first Joining part has steel or is made of steel.
  • the first joining part could be formed as a steel sheet.
  • the second joining part has a fiber-reinforced plastic.
  • the second joining part consists of a fiber-plastic composite (FRP).
  • FRP fiber-plastic composite
  • a fiber-reinforced plastic is understood as meaning a material consisting of reinforcing fibers and a plastic matrix. The matrix surrounds the fibers, which are bonded to the matrix by adhesive or cohesive forces. This gives the FKV a
  • the first joining part preferably has a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP), or carbon, on.
  • CFRP carbon fiber-reinforced plastic
  • the two joining parts can have any suitable shape.
  • the first joining part and / or the second joining part is at least partially flat,
  • Vehicle body for example, represent a side panel or a roof.
  • the connecting element has a suitable material for welding. Furthermore, the connecting element according to the invention has at least two arms. The two arms of the connecting element may protrude from a head of the connecting element, or a side surface of the head of the connecting element. The arms are essentially elongated. Under an elongated training is to be understood that the arms have a greater length than maximum width or maximum
  • the front ends of the arms are designed for connection to the metallic material of the first joining part.
  • the front ends of the arms are designed as a connection s vom. Due to the elongated design of the arms penetrate the arms while exerting a force on the previously heated connecting element, the fiber material of the second joining without destroying it significantly. After the arms of the connecting element have penetrated the second joining part, they are in contact with the metallic material of the first joining part or the first side face of the first joining part with their front ends, or the connecting surfaces. After welding of the connecting element with the first joining part, a welded connection is formed in the region of the connection surface, or in the region of the contact point between the connection part
  • a heat source may be provided for heating the connecting element in step c).
  • the connecting element can be heated inductively in step c).
  • the welding of the connecting element with the first joining part in step e) can be carried out by means of a suitable welding process. be performed for example by means of resistance welding.
  • the connecting element can be welded to the first joining part by inductive heating.
  • step d) a force on the
  • step c) the heating of the invention element in step c) can also be carried out before placing the connecting element on the second joining part in step b).
  • the connecting element is heated in step c) before and / or during the application of the force in step d).
  • the connecting element is welded in step e) by means of resistance welding with the first joining part.
  • a first electrical voltage, or welding voltage for applying an electrical voltage, or welding voltage, a first
  • Electrode of a welding device connected to the first joining part and a second electrode of the welding device connected to the connecting element Preferably, the second electrode of the welding device is applied to the head of the connecting element. After applying the electrical voltage, the welding current flows over the head of the
  • step c) Connecting element through the arms of the connecting element and the first joining part.
  • the connecting element is preferably heated prior to the application of the voltage for resistance welding.
  • the heating of the connecting element in step c) is a separate process step. This is preferably not to be understood as meaning heating by the welding current during welding of the connecting element to the first joining part. The connecting element is thus heated to a predetermined temperature prior to the beginning of the welding.
  • the force in step d) is exerted on the connecting element by means of a welding device.
  • the force can be exerted on the connecting element by means of welding tongs.
  • Pressing device for exerting the force in step d) on the connecting element necessary.
  • Welding tongs thus can also be provided as a pressure device for exerting the force on the connecting element and for pressing the connecting element, or the arms of the connecting element, in the second joining part.
  • a body part is further proposed for a motor vehicle, wherein the body part has at least two by means of at least one connecting element interconnected joining parts.
  • a first joining part has steel or is made of steel.
  • a second joining part has a fiber-reinforced plastic. According to the invention, the two joining parts of the body part are connected to one another by means of a method described above.
  • a connecting element for connecting, or joining, at least two joining parts is provided.
  • a first joining part has steel,
  • a second joining part has a fiber-reinforced
  • Plastic for example, a koh I en stofff se rve rstä rkte n plastic on.
  • Connecting element has a head and at least two protruding from the head arms.
  • the connecting element is integrally formed.
  • the connecting element can be produced in one piece from a semi-finished sheet metal in a simple manner by means of a stamping-forming process.
  • the head of the connection s institutes forms the upper part of the connecting element.
  • the head is preferably flat.
  • Connecting element are elongated. By this is meant that the arms of the fastener have a greater length than maximum width or maximum
  • both arms essentially have an identical length.
  • the arms of the connecting element are also preferably substantially perpendicular from a side surface of the preferably flat-shaped head of the connecting element.
  • the arms of the connecting element are also preferably substantially perpendicular from a side surface of the preferably flat-shaped head of the connecting element.
  • Connecting element preferably directed vertically from a side surface of the head of the connecting element.
  • the transition between the head and the respective arms of the connecting element is arranged at a distance from the outer edge of the head of the connecting element.
  • the arms at their front ends have attachment surfaces for connection to the second joining part.
  • the attachment area of a sleeve preferably corresponds to 20% to 100%, more preferably 30% to 90%, and most preferably 40% to 80%, of the cross-sectional area of the sleeve in the widest range.
  • the connection surface is formed flat and thus the arms have no tip and no cutting edge in the region of their front ends.
  • the connecting element has at least three arms.
  • the connecting element has at least three arms.
  • tilting of the connecting element after placing the connecting element on the second joining part before exerting a force on the connecting element can be avoided.
  • the preferred connecting element with more than two arms thus provides better stability, or safer support on the surface of the second joining part.
  • Figure 1 is a perspective view of two parts to be joined and a connecting element for connecting the two joining parts
  • the first joining part 10 comprises a metallic material.
  • the second joining part 1 1 has a fiber-reinforced plastic.
  • the two joining parts 10, 1 1 are parts of a
  • Body part 100 It is shown in Figure 1, only a section.
  • a connecting element 12 is provided for connecting the two joining parts 10, 1 1.
  • the connecting element 12 is integrally formed from a suitable material for welding, namely steel.
  • the connecting element 12 has a substantially flat
  • the arms 13a, 13b, 13c are elongated with a polygonal cross-section.
  • the length 27 of the arms 13a, 13b, 13c corresponds approximately to the thickness of the second joining part 1 1.
  • the width 26 of the arms 13a, 13b, 13c is constant over most of the length 27 of the arms 13a, 13b, 13c. Only in the front end region of the arms 13a, 13b, 13c, the arms 13a, 13b, 13c are bevelled and have a slightly smaller width 26.
  • the front ends of the arms 13a, 13b, 13c form the connection surface 23 for connection to the metallic material of the first joining part 10.
  • FIGS. 2a and 2b show the individual method steps for joining a first joining part 10 to a second joining part 11. Both FIGS. 2a and 2b each show a plurality of process steps.
  • the two joining parts 10, 11 are arranged relative to one another in such a way that they are connected to one another via an adhesive 18 arranged between the two joining parts 10, 11.
  • the respective first side surfaces 14. 16 of the two joining parts 10, 11 are glued to one another via the adhesive 18.
  • the connecting element 12 is placed on the second side surface 17 of the second joining part 1 1 and the connecting element 12 is heated by a heat source 26.
  • the connecting element 12 with the attachment surfaces 23 of the arms 13a, 13b, 13c on the second side surface 17 of the second joining part 1 1.
  • FIG 2b the pressed-in in the second joining part 1 1 connecting element 12 is shown.
  • a force 19 was exerted on the connecting element 12 by the welding device 20, namely a welding tongs, until the arms 13a, 13b, 13c penetrated the second joining part 11.
  • the connecting element 12 is in contact with the first side surface 14 of the first joining part 10 with the attachment surfaces 23 of the arms 13 a, 13 b, 13 c.
  • the connecting element 12 After pressing the connecting element 12, the connecting element 12 is located with its head 13, or the underside of the head 13, on the second side surface 17 of the second joining part 1 1. Subsequently, a resistance welding is used
  • the welding device 20 is used. Thus, no separate devices are necessary for these two process steps.
  • the force 19 for pressing the connecting element 12 into the second joining part 11 is exerted with the welding tongs.
  • the first electrode of the welding gun is placed on the underside of the composite, or on the second side surface 15 of the first joining part 10.
  • the second electrode 22 of the welding apparatus 20 is placed on top of the head 13 of the

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Abstract

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen (10, 11) mittels mindestens eines Verbindungselements (12), wobei ein erstes Fügeteil (10) Stahl aufweist und wobei ein zweites Fügeteil (11) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Anordnen der beiden Fügeteile (10, 11) aneinander, derart, dass diese mit ihren beiden ersten Seitenflächen (14, 16) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zueinander stehen oder über ein zwischen den beiden Fügeteilen (10, 11) angeordnetes Klebemittel (18) miteinander verbunden sind, b) Aufsetzen des Verbindungselements (12) auf eine zweite Seitenfläche (17) des zweiten Fügeteils (11), c) Erwärmen des Verbindungselements (12), d) Ausüben einer Kraft (19) auf das Verbindungselement (12) bis mindestens zwei Ärmchen (13a, 13b) des Verbindungselements (12) das zweite Fügeteil (11) durchdrungen haben und in Kontakt mit der ersten Seitenfläche (14) des ersten Fügeteils (10) stehen, e) Verschweißen des Verbindungselements (12) mit dem ersten Fügeteil (10).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Fügen eines Stahlteils mit einem faserverstärkten Kunststoffteil mittels eines
Verbindungselements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines stahlaufweisenden Fügeteils mit einem faserverstärkten kunststoffaufweisenden Fügeteil mittels eines Verbindungselements.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug und ein
Verbindungselement zum Fügen eines stahlaufweisenden Fügeteils mit einem faserverstärkten kunststoffaufweisenden Fügeteil.
Stand der Technik
Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen werden leichtere Konstruktionen im Karosseriebau immer wichtiger. Hierfür ermöglichen unterschiedlichste Materialpaarungen vielfältige
Karosseriestrukturen, die ein Kraftfahrzeug trotz steigender Anforderungen an
Fahrzeugsicherheit und Insassenkomfort leichter machen. Voraussetzung hierfür sind speziell angepasste Verbindungstechniken zur Verbindung der aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Karosserieteile. Beispielsweise ist bekannt, Karosserien in Mischbauweise aus Stahl, Aluminium, thermoplastischen Kunststoffen, Magnesium sowie Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Als Faserverbundwerkstoffe finden Faser-Kunststoff-Verbund (FKV),
beziehungsweise faserverstärkter Kunststoff, Anwendung. Beispielsweise ist diesbezüglich kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), beziehungsweise Carbon, zu nennen.
Karosserieteile aus Stahl werden üblicherweise mittels klassischer Schweißverfahren, beispielsweise Widerstandspunktschweißen und MIG-Schweißen, miteinander verbunden. Fügetechnologien zur Verbindung von unterschiedlichen Materialpaarungen, beispielsweise von stahlaufweisenden Teilen mit aluminiumaufweisenden Teilen basieren bekannter Weise auf mechanischen und thermischen Fügeverfahren. Beispielsweise ist bekannt, stahlaufweisende Teile mit aluminiumaufweisenden Teilen mittels Stanznieten, Nageln, Schrauben und Clinchen miteinander zu verbinden. Diese Verfahren setzen teilweise das Einbringen von vorherigen Bohrungen voraus. Des Weiteren ist bekannt, stahlaufweisende Teile mit aluminiumaufweisenden Teilen durch zusätzliche Verbindungselemente mittels Widerstandsschweißen miteinander zu verbinden. Auch hierfür ist das Einbringen von
Bohrungen notwendig, um die Verbindungselemente in das aluminiumaufweisende Teil einzusetzen.
Bei der Verwendung derartiger Verfahren zum Verbinden von stahlaufweisenden Fügeteilen mit faserverstärkten Kunststoff (FVK) aufweisenden Fügeteilen werden die Faserstrukturen des FVK aufweisenden Fügeteils zumindest bereichsweise durch das Einbringen von Bohrungen, Nieten oder Schrauben zerstört. Des Weiteren erschweren mehrstufige Fügeprozesse, beispielsweise durch das vorherige Einbringen von Bohrungen die Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses.
In der DE 100 60 390 A1 wird ein Stanznietverfahren beschrieben. Dabei wird ein Stanzniet mittels eines Stempels durch ein erstes Material hindurchgetrieben und mit einem zweiten, auf einer Matrize aufliegenden Material verbunden. Nach Hindurchtreiben des Stanzniets durch das erste Material kann das matrizenseitige Material punktuell erwärmt werden.
In der DE 423 7 361 A1 wird ein Verbindungs-Hilfsteil für das widerstandselektrische
Schweißen von Aluminiumblech auf Stahl beschrieben. Dabei wird vorgeschlagen, dass das Schaftende des Verbindungs-Hilfsteil als Schneidkante zum Stanzen der eigenen
Durchführungsöffnung ausgebildet wird.
Die DE 10 2004 025 492 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fügen zweier Fügeteile, beispielsweise eines Stahlblechs mit einem Leichtmetallblech oder einem Kunststoffbauteil, mittels mechanischen Eintreibens und Verschweißens eines Fügeelements. Das Fügeelement ist hierfür als Niete oder Bolzen mit einer Schneidkante ausgebildet.
Darste fünfl der Erfindung: Aufgabe, Lösunq^Vgrteije
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen eines stahlaufweisenden Fügeteils mit einem faserverstärkten kunststoffaufweisenden Fügeteil derart weiter zu verbessern, dass die Faserstruktur nicht oder nur geringfügig zerstört wird und wobei die Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses weiter verbessert wird. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug
vorzuschlagen, wobei das Karosserieteil mindestens ein stahlaufweisendes Fügeteil und ein faserverstärktes kunststoffaufweisendes Fügeteil aufweist und beim Fügen der beiden Fügeteile das faserverstärkte Kunststofffügeteil nicht oder nur geringfügig zerstört würde.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verbindungselement zum Verbinden von mindestens zwei Fügeteilen, wobei das erste Fügeteil Stahl aufweist und das zweite Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, derart weiter zu verbessern, dass durch das
Verbindungselement beim Verbinden der beiden Fügeteile das faserverstärkte
kunststoffaufweisende Fügeteil nicht oder nur geringfügig zerstört wird.
Hierfür wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen mittels mindestens eines Verbindungselements vorgeschlagen. Ein erstes Fügeteil weist Stahl auf oder besteht aus Stahl. Ein zweites Fügeteil weist einen faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auf. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf, wobei durch diese Verfahrensschritte keine zwingende Reihenfolge der Schritte vorgegeben wird: a) Anordnen der beiden Fügeteile aneinander. Dabei werden die beiden Fügeteile derart aneinander angeordnet, dass eine erste Seitenfläche des ersten Fügeteils zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit einer ersten Seitenfläche des zweiten Fügeteils steht oder dass die beiden Fügeteile über ein zwischen den beiden Fügeteilen angeordnetes Klebemittel miteinander verbunden sind; b) Aufsetzen des Verbindungselements auf eine zweite Seitenfläche des zweiten Fügeteils; c) Wärmen des Fügeelementes; d) Ausüben einer Kraft auf das Verbindungselement bis mindestens zwei Ärmchen des Verbindungselements das zweite Fügeteil durchdrungen haben und in Kontakt mit der ersten Seitenfläche des ersten Fügeteils stehen; e) Verschweißen des Verbindungselements mit dem ersten Fügeteil.
Durch das Fügen der beiden Fügeteile wird eine feste Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen, beispielsweise eine Kraft- und/oder Formschlussverbindung hergestellt. Das erste Fügeteil weist Stahl auf oder besteht aus Stahl. Beispielsweise könnte das erste Fügeteil als Stahlblech ausgebildet sein. Das zweite Fügeteil weist einen faserverstärkten Kunststoff auf. Bevorzugter Weise besteht das zweite Fügeteii aus einem Faser-Kunststoff- Verbund (FKV). Unter einem faserverstärkten Kunststoff ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix zu verstehen. Die Matrix umgibt die Fasern, welche durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Hierdurch erhält der FKV ein
richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten. Bevorzugter Weise weist das erste Fügeteil einen kohlestofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), beziehungsweise Carbon, auf.
Die beiden Fügeteile können jede geeignete Form aufweisen. Bevorzugter Weise ist das erste Fügeteil und/oder das zweite Fügeteil zumindest bereichsweise als Flachmaterial,
beispielsweise als Blech ausgebildet. Beispielsweise können die Fügeteile Teile einer
Fahrzeugkarosserie, zum Beispiel ein Seitenteil oder ein Dach darstellen.
Das Verbindungselement weist ein zum Schweißen geeignetes Material auf. Des Weiteren weist das Verbindungselement erfindungsgemäß mindestens zwei Ärmchen auf. Die beiden Ärmchen des Verbindungselements können von einem Kopf des Verbindungselements, beziehungsweise einer Seitenfläche des Kopfes des Verbindungselements, hervorstehen. Die Ärmchen sind im Wesentlichen länglich ausgebildet. Unter einer länglichen Ausbildung ist zu verstehen, dass die Ärmchen eine größere Länge als maximale Breite oder maximalen
Durchmesser aufweisen. Die stirnseitigen Enden der Ärmchen sind zur Anbindung an den metallischen Werkstoff des ersten Fügeteils ausgebildet. Bevorzugter Weise sind die stirnseitigen Enden der Ärmchen als Anbindung sflächen ausgebildet. Aufgrund der länglichen Ausbildung der Ärmchen durchdringen die Ärmchen während des Ausübens einer Kraft auf das vorher erwärmte Verbindungselement den Faserwerkstoff des zweiten Fügeteils ohne diesen dabei wesentlich zu zerstören. Nachdem die Ärmchen des Verbindungselements das zweite Fügeteil durchdrungen haben, stehen diese mit ihren stirnseitigen Enden, beziehungsweise den Anbindungsflächen, in Kontakt mit dem metallischen Werkstoff des ersten Fügeteils, beziehungsweise der ersten Seitenfläche des ersten Fügeteils. Nach Verschweißen des Verbindungselements mit dem ersten Fügeteil entsteht eine Schweißverbindung im Bereich der Anbindungsfläche, beziehungsweise im Bereich der Kontaktstelle zwischen der
Anbindungsfläche und der ersten Seitenfläche des ersten Fügeteils.
Zum Erwärmen des Verbindungselements in Schritt c) kann eine Wärmequelle vorgesehen sein. Des Weiteren kann das Verbindungselement in Schritt c) induktiv erwärmt werden. Das Verschweißen des Verbindungselements mit dem ersten Fügeteil in Schritt e) kann mittels eines geeigneten Schweißverfahrens. beispielsweise mittels Widerstandsschweißen durchgeführt werden. Des Weiteren kann das Verbindungselement mit dem ersten Fügeteil durch induktives Erwärmen verschweißt werden.
Durch die spezielle Ausgestaltung des Verbindungselements, beziehungsweise der Ärmchen des Verbindungselements ist für das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen des ersten Fügeteils mit dem zweiten Fügeteil kein Vorbohren, insbesondere kein Vorbohren durch das den faserverstärkten k u n ststoff a uf we i se nd e zweite Fügeteil notwendig. Somit wird durch die spezielle Ausgestaltung des Verbindungselements, beziehungsweise der Ärmchen des Verbindungselements zum einen der Faserwerkstoff des zweiten Fügeteils nur geringfügig oder nicht zerstört. Des Weiteren ist der Fertigungsprozess einfacher und kostengünstiger zu automatisieren.
Des Weiteren ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass in Schritt d) eine Kraft auf das
Verbindungselement ausgeübt wird, derart, dass damit die Ärmchen des Verbindungselements das zweite Fügeteil leicht durchdringen können ohne dabei den Faserwerkstoff des zweiten Fügeteils weiter zu zerstören.
Die Reihenfolge der erfindungswesentlichen Verfahrensschritte kann zumindest teilweise variieren. Beispielsweise kann das Erwärmen des Erfindungselements in Schritt c) auch vor dem Aufsetzen des Verbindungselementes auf das zweite Fügeteil in Schritt b) durchgeführt werden. Bevorzugter Weise wird das Verbindungselement in Schritt c) vor und/oder während dem Ausüben der Kraft in Schritt d) erwärmt.
Des Weiteren ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass das Verbindungselement in Schritt e) mittels Widerstandsschweißung mit dem ersten Fügeteil verschweißt wird. Hierfür wird zum Anlegen einer elektrischen Spannung, beziehungsweise Schweißspannung, eine erste
Elektrode einer Schweißvorrichtung mit dem ersten Fügeteil verbunden und eine zweite Elektrode der Schweißvorrichtung mit dem Verbindungselement verbunden. Bevorzugter Weise wird die zweite Elektrode der Schweißvorrichtung am Kopf des Verbindungselements angelegt. Nach Anlegen der elektrischen Spannung fließt der Schweißstrom über den Kopf des
Verbindungselements durch die Ärmchen des Verbindungselements und das erste Fügeteil. Somit entsteht zwischen der Anbindungsfläche der Ärmchen und der ersten Seitenfläche des ersten Fügeteils eine Schweißverbindung. Des Weiteren wird das Verbindungselement in Schritt c) bevorzugter Weise vor dem Anlegen der Spannung zum Widerstandsschweißen erwärmt. Somit handelt es sich bei dem Erwärmen des Verbindungselements in Schritt c) um einen separaten Verfahrensschritt. Hierunter ist bevorzugter Weise nicht das Erwärmen durch den Schweißstrom beim Verschweißen des Verbindungselements mit dem ersten Fügeteil zu verstehen. Das Verbindungselement wird somit vor dem Beginn des Verschweißens auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt.
Des Weiteren ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass die Kraft in Schritt d) mittels einer Schweißvorrichtung auf das Verbindungselement ausgeübt wird. Beispielsweise kann die Kraft mittels einer Schweißzange auf das Verbindungselement ausgeübt werden. Somit ist bevorzugter Weise kein separates Andruckmittel, beziehungsweise keine separate
Andruckvorrichtung, zum Ausüben der Kraft in Schritt d) auf das Verbindungselement notwendig. Die in Schritt e) zu verwendende Schweißvorrichtung, beispielsweise
Schweißzange, kann somit auch als Andruckvorrichtung zum Ausüben der Kraft auf das Verbindungselement und zum Eindrücken des Verbindungselements, beziehungsweise der Ärmchen des Verbindungselements, in das zweite Fügeteil vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das Karosserieteil zumindest zwei mittels mindestens eines Verbindungselements miteinander verbundene Fügeteile aufweist. Ein erstes Fügeteil weist dabei Stahl auf oder besteht aus Stahl. Ein zweites Fügeteil weist einen faserverstärkten Kunststoff auf. Erfindungsgemäß sind die beiden Fügeteile des Karosserieteils mittels eines vorbeschriebenen Verfahrens miteinander verbunden.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verbindungselement zum Verbinden, beziehungsweise Fügen, von mindestens zwei Fügeteilen vorgesehen. Ein erstes Fügeteil weist Stahl auf,
beziehungsweise besteht aus Stahl. Ein zweites Fügeteil weist einen faserverstärkten
Kunststoff, beispielsweise einen koh I en stofff a se rve rstä rkte n Kunststoff, auf. Das
Verbindungselement weist einen Kopf und mindestens zwei vom Kopf abstehenden Ärmchen auf.
Bevorzugter Weise ist das Verbindungselement einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann das Verbindungselement mittels eines Stanz-Umformprozesses aus einem Blechhalbzeug in einfacher Weise einstückig hergestellt werden. Der Kopf des Verbindung selementes bildet das Oberteil des Verbindungselements. Der Kopf ist bevorzugter Weise flach ausgebildet. Die vom Kopf abstehenden Ärmchen des
Verbindungselements sind länglich ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Ärmchen des Verbindungselements eine größere Länge als maximale Breite oder maximalen
Durchmesser aufweisen. Bevorzugter Weise weisen beide Ärmchen im Wesentlichen eine identische Länge auf. Die Ärmchen des Verbindungselements stehen ferner bevorzugter Weise im Wesentlichen senkrecht von einer Seitenfläche des bevorzugter Weise flach ausgebildeten Kopfes des Verbindungselements ab. Somit erstrecken sich die Ärmchen des
Verbindungselements bevorzugter Weise senkrecht gerichtet von einer Seitenfläche des Kopfes des Verbindungselements. Bevorzugter Weise ist der Übergang zwischen dem Kopf und dem jeweiligen Ärmchen des Verbindungselements beabstandet zur äußeren Kante des Kopfes des Verbindungselements angeordnet.
Des Weiteren ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass die Ärmchen an deren stirnseitigen Enden Anbindungsflächen zur Anbindung an das zweite Fügeteil aufweisen. Dabei entspricht die Anbindungsfläche eines Ärmchens bevorzugter Weise 20 % bis 100 %, besonders bevorzugter Weise 30 % bis 90 %, sowie ganz besonders bevorzugter Weise 40 % bis 80 %, der Querschnittsfläche des Ärmchens im breitesten Bereich. Ferner ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass die Anbindungsfläche flach ausgebildet ist und die Ärmchen somit im Bereich deren stirnseitigen Enden keine Spitze und keine Schneidekante aufweisen.
Bevorzugter Weise weist das Verbindungselement mindestens drei Ärmchen auf. Durch das Vorsehen von mehr als zwei Ärmchen, beispielsweise von drei Ärmchen, kann ein Kippen des Verbindungselements nach dem Aufsetzen des Verbindungselements auf das zweite Fügeteil vor Ausüben einer Kraft auf das Verbindungselement vermieden werden. Das bevorzugte Verbindungselement mit mehr als zwei Ärmchen bietet somit eine bessere Standfestigkeit, beziehungsweise sicherere Auflage auf der Oberfläche des zweiten Fügeteils.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen schematisch: Figur 1 eine perspektivische Ansicht zweier Fügeteile und ein Verbindungselement zum Verbinden der beiden Fügeteile, und
Figur 2a bis b ein Verfahren zum Fügen von zwei Fügeteilen mittels eines
Verbindungselements.
Bevorzugte Ausführunqsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander anliegenden Fügeteilen 10, 1 1. Das erste Fügeteil 10 weist einen metallischen Werkstoff auf. Das zweite Fügeteil 1 1 weist einen faserverstärkten Kunststoff auf. Die beiden Fügeteile 10, 1 1 sind Teile eines
Karosserieteils 100. Dabei ist in Figur 1 lediglich ein Ausschnitt gezeigt.
Zur Verbindung der beiden Fügeteile 10, 1 1 ist ein Verbindungselement 12 vorgesehen. Das Verbindungselement 12 ist einstückig aus einem zum Schweißen geeigneten Material, nämlich Stahl, ausgebildet. Das Verbindungselement 12 weist einen im Wesentlichen flach
ausgebildeten plattenförmigen Kopf 13 mit einer Oberseite und einer Unterseite auf. Von der Unterseite erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht gerichtet zur Unterseite des Kopfes 13 drei Ärmchen 13a, 13b, 13c. Die Ärmchen 13a, 13b, 13c sind länglich mit einem eckigen Querschnitt ausgebildet. Die Länge 27 der Ärmchen 13a, 13b, 13c entspricht ungefähr der Dicke des zweiten Fügeteils 1 1. Die Breite 26 der Ärmchen 13a, 13b, 13c ist über den Großteil der Länge 27 der Ärmchen 13a, 13b, 13c konstant. Lediglich im stirnseitigen Endbereich der Ärmchen 13a, 13b, 13c sind die Ärmchen 13a, 13b, 13c abgeschrägt und weisen eine geringfügig kleinere Breite 26 auf. Die stirnseitigen Enden der Ärmchen 13a, 13b, 13c bilden die Anbindungsfläche 23 zur Anbindung an den metallischen Werkstoff des ersten Fügeteils 10.
In den Figuren 2a und 2b sind die einzelnen Verfahrensschritte zum Fügen eines ersten Fügeteils 10 mit einem zweiten Fügeteil 1 1 gezeigt. Dabei zeigen sowohl Figur 2a sowie auch Figur 2b jeweils mehrere Verfahrensschritte.
Wie in Figur 2a gezeigt, werden die beiden Fügeteile 10, 1 1 derart zueinander angeordnet, dass diese über ein zwischen den beiden Fügeteilen 10, 1 1 angeordnetes Klebemittel 18 miteinander verbunden sind. Somit sind die jeweiligen ersten Seitenflächen 14. 16 der beiden Fügeteile 10, 1 1 über das Klebemittel 18 miteinander verklebt. Nach Anordnen der beiden Fügeteile 10. 1 1 aneinander, wird das Verbindungselement 12 auf die zweite Seitenfläche 17 des zweiten Fügeteils 1 1 aufgesetzt und das Verbindungselement 12 mittels einer Wärmequelle 26 erwärmt. Nach Aufsetzen des Verbindungselements 12 auf die zweite Seitenfläche 17 des zweiten Fügeteils 1 1 liegt das Verbindungselement 12 mit den Anbindungsflächen 23 der Ärmchen 13a, 13b, 13c auf der zweiten Seitenfläche 17 des zweiten Fügeteils 1 1 auf.
In Figur 2b ist das in das zweite Fügeteil 1 1 eingedrückte Verbindungselement 12 gezeigt. Hierzu wurde durch die Schweißvorrichtung 20, nämlich eine Schweißzange, eine Kraft 19 auf das Verbindungselement 12 ausgeübt, bis die Ärmchen 13a, 13b, 13c das zweite Fügeteil 1 1 durchdrungen haben. Das Verbindungselement 12 steht mit den Anbindungsflächen 23 der Ärmchen 13a, 13b, 13c in Kontakt mit der ersten Seitenfläche 14 des ersten Fügeteils 10.
Durch die spezielle, insbesondere längliche Ausgestaltung der Ärmchen 13a, 13b, 13c sowie das vor dem Eindrücken erwärmte Verbindungselement 12 wird der faserverstärkte Kunststoff des zweiten Fügeteils 1 1 nicht wesentlich beschädigt.
Nach Eindrücken des Verbindungselements 12 liegt das Verbindungselement 12 mit dessen Kopf 13, beziehungsweise der Unterseite des Kopfes 13, auf der zweiten Seitenfläche 17 des zweiten Fügeteils 1 1 auf. Im Anschluss wird mittels Widerstandsschweißen eine
Schweißverbindung zwischen dem Verbindungselement 12 und dem ersten Fügeteil 10 hergestellt. Hierzu wird eine Spannung 25 an die beiden Schweißelektroden 21 , 22 angelegt. Durch den Stromfluss durch das Verbindungselement 12 und das metallische erste Fügeteil 10 wird eine Schweißverbindung im Kontaktbereich zwischen den Anbindungsflächen 23 der Ärmchen 13a, 13b, 13c und der ersten Seitenfläche 14 des ersten Fügeteils 10 hergestellt.
Sowohl zum Eindrücken des Verbindungselements 12 in das zweite Fügeteil 1 1 sowie auch zum Verschweißen wird die Schweißvorrichtung 20 verwendet. Somit sind für diese beiden Verfahrensschritte keine separaten Vorrichtungen notwendig. Die Kraft 19 zum Eindrücken des Verbindungselements 12 in das zweite Fügeteil 11 wird mit der Schweißzange ausgeübt. Dafür wird die erste Elektrode der Schweißzange auf die Unterseite des Verbunds, beziehungsweise auf die zweite Seitenfläche 15 des ersten Fügeteils 10 aufgesetzt. Gegenüberliegend wird die zweite Elektrode 22 der Schweißvorrichtung 20 auf die Oberseite des Kopfes 13 des
Verbindungselements 12 aufgesetzt. Die beiden Elektroden 21 , 22 werden zur Ausübung der Kraft 19 auf das Verbindungselement 12 zusammengedrückt. Bezugszeichenliste 0 Karosserieteil erstes Fügeteil
zweites Fügeteil
Verbindungselement
Kopf des Verbindungselementsa, 13b, 13c Ärmchen des Verbindungselements erste Seitenfläche des ersten Fügeteils zweite Seitenfläche des ersten Fügeteils erste Seitenfläche des zweiten Fügeteils zweite Seitenfläche des zweiten Fügeteils Klebemittel
Kraft
Schweißvorrichtung
erste Elektrode
zweite Elektrode
Anbindungsfläche
Wärmequelle
Spannungsquelle
Breite der Ärmchen
Länge der Ärmchen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen (10. 1 1 ) mittels mindestens eines Verbindungselements (12), wobei ein erstes Fügeteil (10) Stahl aufweist und wobei ein zweites Fügeteil (1 1 ) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Anordnen der beiden Fügeteile (10, 1 1 ) aneinander, derart, dass diese mit ihren beiden ersten Seitenflächen (14, 16) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zueinander stehen oder über ein zwischen den beiden Fügeteilen (10, 1 1 ) angeordnetes Klebemittel (18) miteinander verbunden sind,
b) Aufsetzen des Verbindungselements (12) auf eine zweite Seitenfläche (17) des zweiten Fügeteils (1 1 ),
c) Erwärmen des Verbindungselements (12),
d) Ausüben einer Kraft (19) auf das Verbindungselement (12) bis mindestens zwei Ärmchen (13a, 13b) des Verbindungselements (12) das zweite Fügeteil (1 1 ) durchdrungen haben und in Kontakt mit der ersten Seitenfläche (14) des ersten Fügeteils (10) stehen, e) Verschweißen des Verbindungselements (12) mit dem ersten Fügeteil (10).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungselement (12) in Schritt c) vor und/oder während dem Ausüben der Kraft (19) in Schritt d) erwärmt wird.
3. Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt e) das Verbindungselement (12) mittels Widerstandsschweißung mit dem ersten Fügeteil (10) verschweißt wird, wobei zum Anlegen einer elektrischen Spannung eine erste Elektrode (21 ) einer Schweißvorrichtung (20) mit dem ersten Fügeteil (10) verbunden wird und eine zweite Elektrode (22) der Schweißvorrichtung (20) mit dem
Verbindungselement (12) verbunden wird
4. Verfahren (100) gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) in Schritt c) vor dem Anlegen der Spannung zum Verschweißen in Schritt e) erwärmt wird.
5. Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kraft (19) in Schritt d) mittels einer Schweißvorrichtung (20) auf das
Verbindungselement (12) ausgeübt wird
6. Karosserieteil (100) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Karosserieteil (100) zumindest zwei mittels mindestens eines Verbindungselements (12) miteinander verbundene Fügeteile (10, 1 1 ) aufweist, wobei ein erstes Fügeteil (10) Stahl aufweist und wobei ein zweites Fügeteil (1 1 ) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Fügeteile (10, 1 1 ) mittels eines Verfahrens gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche miteinander verbunden wurden.
7. Verbindungselement ( 12) zum Verbinden von mindestens zwei Fügeteilen (10, 1 1 ), wobei ein erstes Fügeteil (10) Stahl aufweist und wobei ein zweites Fügeteil (1 1 ) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungselement (12) einen Kopf (13) und mindestens zwei vom Kopf (13) abstehende Ärmchen (13a, 13b) aufweist.
8. Verbindungselement (12) gemäß Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungselement (12) mindestens drei Ärmchen (13a, 13b, 13c) aufweist.
9. Verbindungselement (12) gemäß Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ärmchen (13a, 13b) an deren stirnseitigen Enden eine Anbindungsfläche (23) zur Anbindung an das zweite Fügeteil (1 1 ) aufweisen.
PCT/EP2015/052814 2014-03-14 2015-02-11 Verfahren zum fügen eines stahlteils mit einem faserverstärkten kunststoffteil mittels eines verbindungselements Ceased WO2015135712A1 (de)

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