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DE102020108759B4 - Process for joining at least two components - Google Patents

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DE102020108759B4
DE102020108759B4 DE102020108759.4A DE102020108759A DE102020108759B4 DE 102020108759 B4 DE102020108759 B4 DE 102020108759B4 DE 102020108759 A DE102020108759 A DE 102020108759A DE 102020108759 B4 DE102020108759 B4 DE 102020108759B4
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Abstract

Verfahren zum Fügen zumindest zweier Bauteile (1, 2), mit einem Setzprozess, bei dem ein Fügehilfselement (3) in ein erstes Bauteil (1) eingetrieben wird, so dass ein Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) mit einem Elementkopf-Überstand eine Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) überragt, mit einem Zustellschritt, bei dem das zweite Bauteil (2) mit einer Oberseite des Elementkopfes (7) in Anlage gebracht wird, so dass zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) ein Spalt (11) verbleibt, und mit einem Widerstandspunktschweißschritt, bei dem das zweite Bauteil (2) mit dem Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) verschweißt wird, wobei ein Isolierelement (15) bereitgestellt wird, das nach dem Setzprozess den Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) radial außen umzieht, und wobei das Isolierelement (15) als eine Bauteilstütze wirkt, die im Zustellschritt oder im Widerstandspunktschweißschritt einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den beiden Bauteilen (1, 2) infolge einer Bauteil-Kippbewegung verhindert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Verliersicherheit das Isolierelement (15) nach dem Setzprozess zwischen dem Elementkopf (7) und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) verklemmt ist.Method for joining at least two components (1, 2), with a setting process in which an auxiliary joining element (3) is driven into a first component (1), so that an element head (7) of the auxiliary joining element (3) has an element head overhang projects beyond a component surface of the first component (1), with a delivery step in which the second component (2) is brought into contact with an upper side of the element head (7), so that between the first component (1) and the second component (2 ) a gap (11) remains, and with a resistance spot welding step in which the second component (2) is welded to the element head (7) of the auxiliary joining element (3), an insulating element (15) being provided which, after the setting process, replaces the element head (7) of the auxiliary joining element (3) radially on the outside, and with the insulating element (15) acting as a component support which ensures direct electrical contact between the two components (1, 2) prevented as a result of a component tilting movement, characterized in that the insulating element (15) is clamped after the setting process between the element head (7) and the component surface of the first component (1) to prevent loss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zumindest zweier Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for joining at least two components according to the preamble of claim 1.

Im Automobilbau kann die Fahrzeug-Karosserie in einer Mischbauweise gefertigt werden, bei zum Beispiel ein pressgehärtetes Stahlbauteil mit einer Aluminiumstruktur verbunden ist. Aus der DE 102014 011 599 A1 ist ein beispielhaftes Fügeverfahren bekannt, bei dem zunächst in einem Setzprozess ein Fügehilfselement (das heißt ein Nietelement) in ein erstes Bauteil (das heißt eine Aluminiumstruktur) eingetrieben wird, so dass ein Elementkopf des Fügehilfselements mit einem Elementkopf-Überstand eine Bauteiloberfläche des ersten Bauteils überragt. In einem folgenden Zustellschritt wird das zweite Bauteil (zum Beispiel ein pressgehärtetes Stahlbauteil) mit einer Oberseite des Elementkopfes des Fügehilfselements in Anlage gebracht, so dass zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ein Spalt verbleibt, der in etwa dem Elementkopf-Überstand entspricht. Anschließend erfolgt ein Widerstandspunktschweißschritt, bei dem das zweite Bauteil (das heißt das pressgehärtete Stahlbauteil) mit dem Elementkopf des Fügehilfselements verschweißt wird.In automobile construction, the vehicle body can be manufactured in a mixed construction, for example in which a press-hardened steel component is connected to an aluminum structure. From the DE 102014 011 599 A1 An exemplary joining method is known in which an auxiliary joining element (i.e. a rivet element) is first driven into a first component (i.e. an aluminum structure) in a setting process, so that an element head of the auxiliary joining element protrudes with an element head overhang from a component surface of the first component . In a subsequent delivery step, the second component (e.g. a press-hardened steel component) is brought into contact with an upper side of the element head of the auxiliary joining element, so that a gap remains between the first component and the second component, which approximately corresponds to the overhang of the element head. This is followed by a resistance spot welding step, in which the second component (ie the press-hardened steel component) is welded to the element head of the auxiliary joining element.

Der Widerstandspunktschweißschritt kann beidseitig erfolgen, und zwar mit einer Punktschweißzange, bei der die Schweißelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteilanordnung in Flucht einander gegenüberliegen. Alternativ dazu kann der Widerstandspunktschweißschritt gegebenenfalls auch einseitig erfolgen, bei dem die beiden Schweißelektroden auf derselben Seite der zu verbindenden Bauteilanordnung angeordnet sind. Speziell bei der Umsetzung eines einseitig ausgeführten Widerstandspunktschweißschrittes sind die beiden Schweißelektroden der Schweißzange zueinander nicht in Flucht zentrisch ausgerichtet, sondern vielmehr mit in einen Seitenversatz nebeneinander angeordnet. Im Widerstandspunktschweißschritt kann daher die Bauteilanordnung mit einem Kippmoment beaufschlagt werden, so dass unter Umständen die beiden Bauteile in Folge einer Bauteil-Kippbewegung in direkten elektrischen Kontakt kommen können. In diesem Fall ergibt sich ein Nebenschluss zwischen den beiden Bauteilen (das heißt dem Aluminiumbauteil und der Stahlstruktur). Dadurch steht für die Ausbildung einer Schweißlinse an der Sollfügestelle nicht mehr genügend Wärmeenergie zur Verfügung, wodurch sich eine reduzierte Schweißverbindungsfestigkeit ergibt oder die Schweißverbindung gar nicht erst zustande kommt.The resistance spot welding step can be done on both sides with spot welding guns with the welding electrodes on opposite sides of the assembly in alignment. As an alternative to this, the resistance spot welding step can optionally also be carried out on one side, in which case the two welding electrodes are arranged on the same side of the component arrangement to be connected. Especially when implementing a resistance spot welding step carried out on one side, the two welding electrodes of the welding tongs are not aligned centrally with one another, but rather arranged side by side with a lateral offset. In the resistance spot welding step, the component arrangement can therefore be subjected to a tilting moment, so that under certain circumstances the two components can come into direct electrical contact as a result of a component tilting movement. In this case, there is a shunt between the two components (i.e. the aluminum component and the steel structure). As a result, there is no longer enough thermal energy available for the formation of a weld nugget at the intended joining point, which results in a reduced weld joint strength or the weld joint does not come about at all.

Aus der US 2017/0057005 A1 ist ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile mittels eines Fügehilfselements bekannt. Aus der DE 10 2018 003 083 A1 ist eine Schweißnietfügeverbindung bekannt. Aus der US 2018/0272417 A1 und aus der US 2010/0173123 A1 sind weitere Fügeverfahren bekannt.From the U.S. 2017/0057005 A1 a method for joining two components by means of an auxiliary joining element is known. From the DE 10 2018 003 083 A1 a weld rivet joint is known. From the U.S. 2018/0272417 A1 and from the U.S. 2010/0173123 A1 other joining methods are known.

Aus der DE 10 2014 115 370 A1 sind eine Montageeinheit mit einem Montageteil und einem Schweißelement sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Montageeinheit bekannt. Die US 2020/0147671 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung verschiedener Materialverbindungselemente.From the DE 10 2014 115 370 A1 an assembly unit with an assembly part and a welding element as well as a generic method for producing the assembly unit are known. The US 2020/0147671 A1 discloses a method of making various material fasteners.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Fügen zumindest zweier Bauteile bereitzustellen, bei dem in prozess- und fertigungstechnisch einfacher Weise eine betriebssichere Bauteilverbindung ermöglicht ist.The object of the invention is to provide a method for joining at least two components in which an operationally reliable component connection is made possible in a simple manner in terms of process and production technology.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem zunächst in einem Setzprozess ein Fügehilfselement in ein erstes Bauteil eingetrieben wird, so dass ein Elementkopf des Fügehilfselements mit einem Elementkopf-Überstand eine Bauteiloberfläche des ersten Bauteils überragt. Zudem ist das Fügehilfselement unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im ersten Bauteil sowie unter Aufspreizen des Fügehilfselements in das erste Bauteil eingetrieben. Anschließend erfolgt ein Widerstandspunktschweißschritt, bei dem das zweite Bauteil mit dem Elementkopf des Fügehilfselements verschweißt wird. Gemäß dem Anspruch 1 wird ein zusätzliches Isolierelement bereitgestellt, das nach dem Setzprozess den Elementkopf des Fügehilfselements radial außen umzieht. Das Isolierelement wirkt als eine Bauteilstütze, bei der im Zustellschritt sowie im Widerstandspunktschweißschritt eine übermäßig große Schieflage der beiden Bauteile, zum Beispiel in Folge einer Bauteil-Kippbewegung, verhindert wird. Auf diese Weise verhindert das Isolierelement einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den beiden Bauteilen.The invention relates to a method in which an auxiliary joining element is initially driven into a first component in a setting process, so that an element head of the auxiliary joining element projects beyond a component surface of the first component with an element head overhang. In addition, the auxiliary joining element is driven into the first component while maintaining a residual bottom thickness in the first component and while spreading the auxiliary joining element. This is followed by a resistance spot welding step, in which the second component is welded to the element head of the auxiliary joining element. According to claim 1, an additional insulating element is provided which, after the setting process, surrounds the element head of the auxiliary joining element radially on the outside. The insulating element acts as a component support, in which an excessively large misalignment of the two components, for example as a result of a component tilting movement, is prevented in the infeed step and in the resistance spot welding step. In this way, the insulating element prevents direct electrical contact between the two components.

Durch Verwendung eines Isolators in unmittelbarer Nähe des Fügehilfselements, ausgeführt als Isolationsscheibe, kann ein ungewollter Stromfluss zwischen den Bauteilen verhindert werden und somit in die dafür vorgesehene Stelle geleitet werden. Ein einseitig umgesetzter Schweißprozess ermöglicht die Verbesserung beziehungsweise Neugestaltung von zukünftigen Karosseriekonzepten hinsichtlich Fügereihenfolge oder Optimierung des Fahrzeuggewichts zum Beispiel durch Entfall sogenannter Stahladapter. Durch die neue Idee kann der Schweißprozess deutlich verbessert werden. In einer technischen Umsetzung kann mittels einer vorzugsweise gelochten Kunststoffscheibe bewusst eine isolierende Fläche respektive Spalt zwischen den beiden Bauteilen für das einseitige/indirekte Widerstandspunktschweißen mit Nietelement geschaffen werden, um einen Nebenschluss durch beispielsweise Blechbeschnittkanten zu verhindern, insbesondere bei schmalen Flanschen. Weiterhin werden die Bauteile zueinander stabilisiert (das heißt ein Verkippen wird verhindert).By using an insulator in the immediate vicinity of the auxiliary joining element, designed as an insulating disc, an unwanted flow of current between the components can be prevented and thus conducted to the intended point. A welding process implemented on one side enables the improvement or redesign of future body concepts with regard to the joining sequence or optimization of the vehicle weight, for example by eliminating so-called steel adapters. The welding process can be significantly improved with the new idea. In a technical implementation, by means of a preferential wisely perforated plastic disk, an isolating surface or gap between the two components for one-sided/indirect resistance spot welding with rivet element is deliberately created in order to prevent a shunt through, for example, sheet metal trimmed edges, especially with narrow flanges. Furthermore, the components are stabilized relative to one another (that is, tilting is prevented).

Die Kunststoffscheibe wird hierbei in Kombination mit halbhohlstanznietähnlichen Hilfsfügeteilen gesetzt. Die Kunststoffscheibe verhindert zusätzlich die Spritzerneigung des Aluminiumwerkstoffes, was ein wesentliches Qualitätsmerkmal ist.The plastic disc is used in combination with semi-hollow rivet-like auxiliary parts. The plastic disc also prevents the aluminum material from spattering, which is an essential quality feature.

Andere Elementgeometrien, die beispielsweise erst während des Setzprozesses eine kopfähnliche Geometrie ausformen, beispielsweise ein Clinchniet, sind inkludiert. Für weitere Elemente wie dem WES-Element oder Vollstanzniet kann dies ebenfalls nutzbar gemacht werden.Other element geometries that only form a head-like geometry during the setting process, such as a clinch rivet, are included. This can also be used for other elements such as the WES element or solid punch rivet.

Die technische Umsetzung erfolgt beispielsweise über eine Schwenkeinheit, die die Scheibe unmittelbar vor dem Setzen des Elementes in Position bringt und hält, bis der Niederhalter auf diese aufgesetzt hat.The technical implementation is carried out, for example, via a swivel unit that brings the pane into position immediately before the element is set and holds it until the hold-down device has touched it.

Die Scheibe sollte vorzugsweise folgende technische Spezifikationen aufweisen: maximale Materialdicke von 0,5 mm; temperaturbeständig bis 600°C; Isolierscheiben-Außendurchmesser mindestens doppelt so groß wie der Kopfdurchmesser, maximal jedoch eine Flanschbreite von 18 mm; Isolierscheiben-Innendurchmesser richtet sich nach Elementgröße; Isolierscheiben-Material kann Nylon, PTFE, Vinyl oder dergleichen sein.The disc should preferably have the following technical specifications: maximum material thickness of 0.5 mm; temperature resistant up to 600°C; Outer diameter of the insulating disk is at least twice the diameter of the head, but no more than a flange width of 18 mm; Inner diameter of insulating washer depends on element size; Insulator material can be nylon, PTFE, vinyl or the like.

Der Einsatz der Isolierscheibe kann sowohl beim einseitigen als auch beim zweiseitigen Nietpunktschweißen erfolgen. Hierbei spielt ebenfalls keine Rolle, ob es sich um eine ein- oder mehrschnittige Fügeverbindung handelt und ob Klebstoff in einer der Fügeebenen eingesetzt wird. Weiterhin kann die Scheibe vorgelocht oder als Vollscheibe, also ohne Vorloch, ausgeführt sein. Bei letzterem wird die Scheibe beim Setzen des Elementes durchstanzt. Die Isolierscheibe ist nach dem Setzprozess zwischen der Unterseite des Kopfrands des Elementkopfes und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils, insbesondere des Aluminiumblechteils, verklemmt.The insulating disk can be used for one-sided as well as two-sided rivet spot welding. It also makes no difference whether it is a single- or multi-shear joint and whether adhesive is used in one of the joint planes. Furthermore, the disc can be pre-drilled or designed as a full disc, i.e. without a pre-drilled hole. With the latter, the pane is punched through when the element is set. After the setting process, the insulating disc is clamped between the underside of the head edge of the element head and the component surface of the first component, in particular the aluminum sheet part.

Die Erstellung der Verklemmung der Scheibe zwischen Nietkopf und Aluminiumbauteil kann dabei auf drei Varianten geschehen: In einer ersten Variante kann im Herstellungsprozess des Nietelementes die Scheibe bereits verliersicher appliziert werden. Das bedeutet ein hohes Maß an Reibung bzw. Verspannung zwischen Scheibe und Element, da die gesamte (Transport)-Strecke, von Abfüllung bis zum Setzen des Elementes sicherzustellen ist, dass die Scheibe nicht abfällt.The clamping of the washer between the rivet head and the aluminum component can be created in three ways: In a first version, the washer can already be applied captively during the manufacturing process of the rivet element. This means a high degree of friction or tension between the disc and the element, since the entire (transport) route, from filling to setting the element, it must be ensured that the disc does not fall off.

In einer zweiten Variante kann der Setzprozess entkoppelt sein und in zwei Teilschritte aufgeteilt sein. So wird zunächst die Scheibe unterhalb und koaxial mittels separater Zuführ- und Greifeinheit unter dem Niederhalter platziert und in Position gehalten, bis dieser die Scheibe fixiert, sodann die Spindel das Element in das Aluminiumbauteil einpresst und die Verklemmung zwischen Scheibe und Elementkopf erfolgt.In a second variant, the setting process can be decoupled and divided into two partial steps. First, the disc is placed below and coaxially under the hold-down device using a separate feed and gripping unit and held in position until it fixes the disc, then the spindle presses the element into the aluminum component and the disc and element head are clamped.

In einer dritten Variante kann in einem vorgelagerten Prozessschritt ein scheibenähnlicher Aufkleber oder ein entsprechend gelochtes Klebeband oder -folie auf dem Einzelteil appliziert werden. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt dann das Setzen des Elementes.In a third variant, a disk-like sticker or a correspondingly perforated adhesive tape or foil can be applied to the individual part in an upstream process step. The element is then set in a further process step.

Eine vierte Variante kann durch ein mitlaufendes, unterhalb des Niederhalters angeordnetes Prozessband erfolgen, welches vorperforiert beziehungsweise mit den Scheiben bestückt ist. Die Scheibe wird vor dem Setzen durch den Niederhalter auf das Bauteil gedrückt und ausgestanzt. Danach oder währenddessen erfolgt der Setzprozess des Elementes auf dem bekannten Weg.A fourth variant can take place using a running process belt arranged below the hold-down device, which is pre-perforated or equipped with the discs. Before it is set, the disc is pressed onto the component by the hold-down device and punched out. After that or during this process, the element is set in the usual way.

Nach dem Setzen des Elementes inklusive der Scheibe erfolgt der Schweißprozess. Vorzugsweise einseitig wird die Schweißelektrode auf der Matrizenausformung (aluminiumseitig) positioniert. Durch die Scheibe wird nun das Verkippen verhindert, beziehungsweise im Falle eines leichten Verkippens berühren sich aufgrund der Scheibe die beiden Fügepartner (Stahl und Aluminium) nicht, sondern lediglich die Sollfügestelle (Elementkopf).After setting the element including the disc, the welding process takes place. The welding electrode is preferably positioned on one side of the matrix formation (aluminum side). The disc now prevents tilting, or in the event of a slight tilting, the two joining partners (steel and aluminum) do not touch each other due to the disc, but only the intended joining point (element head).

Zur Durchführung des Setzprozesses ist in gängiger Praxis eine Setzeinheit bereitgestellt, die einen Niederhalter, einen Setzstempel sowie eine Matrize aufweist. Im Setzprozess drückt der Niederhalter mit einer Niederhaltekraft das erste Bauteil (das heißt Aluminiumbauteil) gegen die Matrize. Anschließend treibt der Setzstempel ein vorpositioniertes Fügehilfselement mit einer Setzkraft in das erste Bauteil ein.In order to carry out the setting process, a setting unit is provided in common practice, which has a hold-down device, a setting punch and a die. In the setting process, the hold-down device presses the first component (i.e. aluminum component) against the die with a hold-down force. The setting die then drives a pre-positioned auxiliary joining element into the first component with a setting force.

Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: Erfindungsgemäß ist für eine Verliersicherung das Isolierelement nach dem Setzprozess zwischen dem Elementkopf und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils verklemmt. Zudem kann das Isolierelement im Hinblick auf seine Stützfunktion als eine im Wesentlichen bauteilstabile Kunststoff-Hartkomponente ausgebildet sein. Diese ist insbesondere hitzebeständig, um auch im Widerstandspunktschweißschritt die Stützfunktion erfüllen zu können. Damit das Isolierelement im Zustellschritt sowie im Widerstandspunktschweißschritt nicht als Störkontur wirkt, ist es bevorzugt, wenn das Isolierelement eine Materialdicke aufweist, die kleiner ist als der Elementkopf-Überstand. Auf diese Weise wird beim Zustellschritt ein unmittelbar elektrischer Kontakt zwischen der Oberseite des Elementkopfes und dem zweiten Bauteil gewährleistet.Aspects of the invention are highlighted in detail below: According to the invention, the insulating element is clamped after the setting process between the element head and the component surface of the first component to prevent loss. In addition, with regard to its support function, the insulating element can be designed as a substantially structurally stable hard plastic component. This is particularly heat-resistant, even in cons Spot welding step to be able to fulfill the support function. So that the insulating element does not act as an interfering contour in the lining step and in the resistance spot welding step, it is preferred if the insulating element has a material thickness that is smaller than the overhang of the element head. In this way, a direct electrical contact between the upper side of the element head and the second component is ensured during the delivery step.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Spalt zwischen den beiden Bauteilen mit Klebstoff gefüllt sein. Die Klebstoff-Applikation erfolgt zum Beispiel nach dem Setzprozess. Durch den definierten Elementkopf-Überstand des Fügehilfselements kann der Klebstoff beim Zustellschritt lokal verdrängt werden und sich im Spalt verteilen. Der Klebstoff ist im Gegensatz zum Isolierelement nicht aus einer Hartkomponente gebildet, sondern vielmehr aus einer zumindest im Zustellschritt pastösen, nicht hitzebeständigen Weichkomponente (Ausgangskomponente) gefertigt. Von daher kann der Klebstoff weder im Zustellschritt noch im Widerstandspunktschweißschritt eine Stützfunktion im Sinne des erfindungsgemäßen Isolierelements erfüllen.In a preferred embodiment, the gap between the two components can be filled with adhesive. The adhesive is applied, for example, after the setting process. Due to the defined element head overhang of the auxiliary joining element, the adhesive can be locally displaced during the infeed step and distributed in the gap. In contrast to the insulating element, the adhesive is not formed from a hard component, but rather is made from a pasty, non-heat-resistant soft component (starting component), at least in the delivery step. For this reason, the adhesive cannot fulfill a supporting function within the meaning of the insulating element according to the invention, either in the delivery step or in the resistance spot welding step.

Das Isolierelement kann in unterschiedlichen Varianten in der Fügestelle positioniert werden: Gemäß einer ersten Variante kann das Isolierelement in einem, dem Setzprozess vorgelagerten Vormontageschritt verliersicher am noch nicht umgeformten (das heißt nicht gesetzten) Fügehilfselement angebunden werden. Die Anbindung erfolgt insbesondere an der Unterseite des Elementkopfes des Fügehilfselements.The insulating element can be positioned in the joint in different variants: According to a first variant, the insulating element can be captively connected to the not yet formed (i.e. not set) auxiliary joining element in a pre-assembly step preceding the setting process. The connection takes place in particular on the underside of the element head of the auxiliary joining element.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Isolierelement vor Durchführung des Setzprozesses unterhalb des Niederhalters auf dem ersten Bauteil positioniert werden (das heißt mittels einer separaten Zuführ- und Greifereinheit). Anschließend erfolgt der Setzprozess, bei dem das Fügehilfselement in das erste Bauteil eingetrieben wird. Dies erfolgt unter Verklemmung des Isolierelements zwischen dem Elementkopf und der Bauteiloberfläche.In a further embodiment variant, the insulating element can be positioned below the hold-down device on the first component before the setting process is carried out (that is to say by means of a separate feed and gripper unit). This is followed by the setting process, in which the auxiliary joining element is driven into the first component. This takes place with the insulating element being jammed between the element head and the component surface.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Isolierelement in einem, dem Setzprozess vorgelagerten Montageschritt verliersicher an einer vordefinierten Soll-Fügestelle auf die Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (das heißt Aluminiumbauteil) aufgeklebt werden. Anschließend erfolgt der Setzprozess, bei dem das aufgeklebte Isolierelement zwischen dem Elementkopf des Fügehilfselements und der Bauteiloberfläche verklemmt wird.In a further embodiment variant, the insulating element can be glued captively to the component surface of the first component (i.e. aluminum component) at a predefined desired joint point in an assembly step preceding the setting process. This is followed by the setting process, in which the glued-on insulating element is clamped between the element head of the auxiliary joining element and the component surface.

In einer vierten Ausführungsvariante kann der Setzeinheit ein mitlaufendes, unterhalb des Niederhalters angeordnetes, mit Isolierelementen bestücktes Prozessband zugeordnet sein. Beispielhaft können in dem Bandmaterial des Prozessbandes die Isolierelemente materialeinheitlich und/oder einstückig integriert sein sowie an Sollbruchstellen vom Bandmaterial lösbar sein. In diesem Fall drückt der Niederhalter vor Durchführung des Setzvorgangs eines der Isolierelemente auf das erste Bauteil (zum Beispiel durch Ausstanzen aus dem Prozessband). Anschließend wird der Setzvorgang durchgeführt, bei dem das Isolierelement zwischen dem Elementkopf des Fügehilfselements und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils verklemmt wird.In a fourth embodiment variant, the setting unit can be assigned a running process belt, which is arranged below the hold-down device and is equipped with insulating elements. For example, the insulating elements can be integrated in the strip material of the process strip from the same material and/or in one piece and can be detached from the strip material at predetermined breaking points. In this case, before the setting process is carried out, the hold-down device presses one of the insulating elements onto the first component (for example by being punched out of the process strip). The setting process is then carried out, in which the insulating element is clamped between the element head of the auxiliary joining element and the component surface of the first component.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 und 2 in unterschiedlichen Teilschnittdarstellungen eine fertiggestellte Bauteilverbindung;
  • 3 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer Prozessschritte zur Herstellung der in der 1 gezeigten Bauteilverbindung veranschaulicht sind; und
  • 6 bis 8 jeweils Ansichten, die Ausführungsvarianten der Erfindung andeuten.
Show it:
  • 1 and 2 a completed component connection in different partial sectional views;
  • 3 until 5 each views, based on which process steps for the production of in the 1 component connection shown are illustrated; and
  • 6 until 8th each views indicating variants of embodiment of the invention.

In der 1 ist eine fertiggestellte Bauteilverbindung gezeigt, bei der ein Aluminiumblechteil 1 mit einem pressgehärteten Stahlblechteil 2 verbunden ist. Das Stahlblechteil 2 ist beispielhaft Bestandteil eines Schwellers einer Fahrzeugkarosserie. Die beiden Blechteile 1, 2 sind über ein Fügehilfselement 3 miteinander verbunden. Das Fügehilfselement 3 ist gemäß der 3 (zeigt das Fügehilfselement 3 im unverformten Fertigungszustand) nach Art eines Halbhohlstanzniets ausgebildet, und zwar mit einem Elementschaft 5 sowie einem Elementkopf 7. In der 1 ist das Fügehilfselement 3 unter Aufspreizen seines Elementschafts 5 sowie unter Aufrechterhaltung eines Restbodens r in das Aluminiumblechteil 1 eingetrieben. Das Fügehilfselement 3 ist an seinem Elementkopf 7 über eine Schweißlinse 9 in Schweißverbindung mit dem Stahlblechteil 2. Gemäß der 1 überragt das Fügehilfselement 3 mit einem Elementkopf-Überstand die Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1, wodurch die beiden Blechteile 1, 2 über einen Spalt 11 voneinander beabstandet sind. In der 2 ist der Spalt 11 teilweise mit einem Klebstoff 13 gefüllt.In the 1 a finished component connection is shown, in which an aluminum sheet part 1 is connected to a press-hardened sheet steel part 2 . The sheet steel part 2 is, for example, part of a rocker panel of a vehicle body. The two sheet metal parts 1 , 2 are connected to one another via an auxiliary joining element 3 . The joining aid element 3 is according to 3 (Shows the auxiliary joining element 3 in the undeformed manufacturing state) in the manner of a semi-hollow punch rivet, with an element shaft 5 and an element head 7. In FIG 1 the auxiliary joining element 3 is driven into the aluminum sheet part 1 while spreading its element shaft 5 and maintaining a residual base r. The auxiliary joining element 3 is at its element head 7 via a weld nugget 9 in a welded connection with the sheet steel part 2. According to FIG 1 the auxiliary joining element 3 projects beyond the component surface of the aluminum sheet part 1 with an element head overhang, as a result of which the two sheet metal parts 1, 2 are spaced apart from one another by a gap 11. In the 2 the gap 11 is partially filled with an adhesive 13.

Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist zwischen der Unterseite des Kopfrands des Elementkopfes 7 und der Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1 ein scheibenförmiges Isolierelement 15 (nachfolgend Isolierscheibe) verklemmt. Die ringförmige Isolierscheibe 15 umzieht den Elementkopf 7 und weist einen Außendurchmesser dl auf, der in einer technischen Umsetzung etwa doppelt so groß sein kann wie der Kopfdurchmesser dK des Elementkopfes 7. Die Materialdicke m der Isolierscheibe 15 ist in der 2 geringfügig kleiner als das Spaltmaß des Spalts 11. Die Isolierscheibe 15 ist aus einer hitzebeständigen Kunststoff-Hartkomponente gefertigt, zum Beispiel Nylon, PTFE, Vinyl, oder dergleichen.How from the 2 As can further be seen, a disk-shaped insulating element 15 (hereinafter insulating disk) is clamped between the underside of the head edge of the element head 7 and the component surface of the aluminum sheet part 1 . The ring-shaped insulating disc 15 surrounds the element head 7 and has an outer diameter d l which is a technical implementation can be about twice as large as the head diameter d K of the element head 7. The material thickness m of the insulating disk 15 is in the 2 slightly smaller than the gap dimension of the gap 11. The insulating disc 15 is made of a heat-resistant plastic hard component, for example nylon, PTFE, vinyl, or the like.

Nachfolgend ist anhand der 3 bis 5 eine Prozesskette zur Herstellung der in den 1 oder 2 gezeigten Bauteilverbindung beschrieben: Demzufolge ist in der 3 eine Setzeinheit bereitgestellt, die einen Niederhalter 17, einen Setzstempel 19 sowie Matrize 21 aufweist. Zunächst wird das Aluminiumblechteil 1 auf die Matrize 21 gelegt. Auf die obere Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteil 1 wird mittels einer nicht gezeigten separaten Zuführ- und Greifereinheit die Isolierscheibe 15 positioniert. Die Isolierscheibe 15 ist in der 3 unterhalb des Niederhalters 17 an einer vordefinierten Soll-Fügestelle S auf dem Aluminiumblechteil 1 angeordnet. Die Isolierscheibe 15 ist in der 3 bereits vorgelocht. Anschließend startet der Setzprozess, bei dem der Niederhalter 17 unter Zwischenlage der Isolierscheibe 15 das Aluminiumblechteil 1 mit einer Niederhaltekraft FN gegen die Matrize 21 drückt. Darauffolgend treibt der Setzstempel 19 das im Niederhalter 17 vorpositionierte Fügehilfselement 3 mit einer Setzkraft Fs in das Aluminiumblechteil 1 ein, und zwar unter verliersicherer Verklemmung der Isolierscheibe 15 zwischen dem Kopfrand des Fügehilfselements 3 und der Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1.The following is based on the 3 until 5 a process chain for the production of the 1 or 2 shown component connection described: Accordingly, in the 3 a setting unit is provided, which has a hold-down device 17, a setting punch 19 and a die 21. The aluminum sheet part 1 is first placed on the die 21 . The insulating pane 15 is positioned on the upper component surface of the aluminum sheet part 1 by means of a separate feed and gripper unit (not shown). The insulating disk 15 is in the 3 arranged below the hold-down device 17 at a predefined desired joint point S on the aluminum sheet part 1 . The insulating disk 15 is in the 3 already pre-punched. The setting process then starts, in which the hold-down device 17 presses the aluminum sheet part 1 with a hold-down force F N against the die 21 with the insulating disk 15 interposed. The setting die 19 then drives the auxiliary joining element 3, which is pre-positioned in the hold-down device 17, with a setting force Fs into the aluminum sheet part 1, with the insulating washer 15 being securely clamped between the top edge of the auxiliary joining element 3 and the component surface of the aluminum sheet part 1.

Nach dem Setzprozess erfolgt ein Zustellschritt (4), bei dem das Stahlblechteil 2 auf der Oberseite des Elementkopfes 7 des Fügehilfselements 3 positioniert wird.After the setting process, there is a delivery step ( 4 ), in which the sheet steel part 2 is positioned on top of the element head 7 of the auxiliary joining element 3 .

Der folgende Widerstandspunktschweißschritt (5) wird einseitig ausgeführt, und zwar mit Schweißelektroden 23, 25 einer nicht gezeigten Punktschweißzange, die mit einem seitlichen Versatz auf der gleichen Seite der Bauteilverbindung positioniert sind. Die Schweißelektrode 23 ist an der Soll-Fügestelle S in elektrischem Kontakt mit einer geschlossenen Matrizenausformung 14 (bzw. Restboden r) des Aluminiumbauteils 1, während die Schwei-ßelektrode 25 seitlich versetzt gegen die Bauteiloberfläche des Stahlblechteils 2 gedrückt ist.The following resistance spot welding step ( 5 ) is carried out on one side, namely with welding electrodes 23, 25 of a spot welding gun, not shown, which are positioned with a lateral offset on the same side of the component connection. The welding electrode 23 is in electrical contact with a closed matrix formation 14 (or residual base r) of the aluminum component 1 at the specified joint S, while the welding electrode 25 is pressed laterally offset against the component surface of the sheet steel part 2 .

Nachfolgend werden anhand der 6 bis 8 unterschiedliche Ausführungsvarianten zur Vormontage des Isolierelements 15 beschrieben: Demnach kann gemäß der 6 vor Durchführung des Setzprozesses ein Vormontageschritt stattfinden, bei dem das Isolierelement 15 verliersicher am noch unverformten Fügehilfselement 3 angebunden wird. Beispielhaft ist in der 6 das Isolierelement 15 an der Unterseite des Elementkopf-Rands des Hilfsfügeelements 3 verklebt.The following are based on the 6 until 8th different variants for pre-assembly of the insulating element 15 described: Accordingly, according to the 6 before the setting process is carried out, a pre-assembly step takes place, in which the insulating element 15 is captively connected to the still undeformed auxiliary joining element 3 . An example is in the 6 the insulating element 15 is glued to the underside of the edge of the element head of the auxiliary joining element 3 .

In der 7 wird das Isolierelement 15 in einem, dem Setzprozess vorgelagerten Montageschritt über eine Klebschicht 27 verliersicher an einer vordefinierten Soll-Fügestelle S auf die Bauteiloberfläche des Aluminumblechteils 1 aufgeklebt. Beispielhaft kann ein scheibenähnlicher Aufkleber oder ein entsprechend gelochtes Klebeband und/oder -folie auf dem Aluminiumblechteil 1 appliziert werden. Anschließend erfolgt der Setzprozess, und zwar unter Zwischenklemmung des Isolierelements 15 zwischen dem Elementkopf-Rand und der Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1.In the 7 In an assembly step preceding the setting process, the insulating element 15 is glued captively to the component surface of the aluminum sheet part 1 via an adhesive layer 27 at a predefined desired joint point S. For example, a disk-like sticker or a correspondingly perforated adhesive tape and/or foil can be applied to the aluminum sheet part 1 . The setting process then takes place, with the insulating element 15 being clamped between the edge of the element head and the component surface of the aluminum sheet part 1.

Gemäß der 8 weist die Setzeinheit zusätzlich ein mitlaufendes, unterhalb des Niederhalters 17 angeordnetes Prozessband 29 auf. Das Prozessband ist mit einer Reihe von Isolierelementen 15 bestückt, die beispielhaft materialeinheitlich und einstückig unmittelbar im Bandmaterial des Prozessbands 29 integriert sind. Jedes der Isolierelemente 15 ist an Sollbruchstellen 31 vom Bandmaterial lösbar. Vor dem Setzvorgang stanzt der Niederhalter 17 eines der Isolierelemente 15 aus dem Prozessband 29 aus und drückt dieses gegen die Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1. Anschließend wird der Setzprozess durchgeführt, und zwar unter Zwischenklemmung des ausgestanzten Isolierelementes 15 zwischen dem Elementkopf-Rand des Fügehilfselements 3 und der Bauteiloberfläche des Aluminiumblechteils 1.According to the 8th the setting unit also has a running process belt 29 arranged below the hold-down device 17 . The process band is fitted with a row of insulating elements 15 which, for example, are of the same material and are integrated directly in the band material of the process band 29 in one piece. Each of the insulating elements 15 can be detached from the strip material at predetermined breaking points 31 . Before the setting process, the hold-down device 17 punches one of the insulating elements 15 out of the process strip 29 and presses it against the component surface of the aluminum sheet part 1. The setting process is then carried out, with the stamped-out insulating element 15 being clamped between the element head edge of the auxiliary joining element 3 and the Component surface of the aluminum sheet part 1.

Bezugszeichenlistereference list

11
erstes Bauteilfirst component
22
zweites Bauteilsecond component
33
Fügehilfselementjoining aid element
55
Elementschaftelementary
77
Elementkopfelement header
99
Schweißlinseweld nugget
1111
Spaltgap
1313
Klebstoffadhesive
1414
Matrizenausformungdie forming
1515
Isolierelementinsulating element
1717
Niederhalterhold-down
1919
Setzstempelsetting stamp
2121
Matrizedie
23, 2523, 25
Schweißelektrodenwelding electrodes
2727
Klebschichtadhesive layer
2929
Prozessbandprocess belt
3131
Sollbruchstellepredetermined breaking point
hH
Elementkopf-ÜberstandElement Head Overhang
dIdI
Isolierelement-DurchmesserInsulator diameter
dKdK
Kopfdurchmesserhead diameter
FSFS
Setzkraftsetting force
FNFN
Niederhaltekrafthold down force
mm
Materialdicke des IsolierelementsMaterial thickness of the insulating element
SS
Soll-Fügestelletarget joint
rright
Restbodenrest floor

Claims (8)

Verfahren zum Fügen zumindest zweier Bauteile (1, 2), mit einem Setzprozess, bei dem ein Fügehilfselement (3) in ein erstes Bauteil (1) eingetrieben wird, so dass ein Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) mit einem Elementkopf-Überstand eine Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) überragt, mit einem Zustellschritt, bei dem das zweite Bauteil (2) mit einer Oberseite des Elementkopfes (7) in Anlage gebracht wird, so dass zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) ein Spalt (11) verbleibt, und mit einem Widerstandspunktschweißschritt, bei dem das zweite Bauteil (2) mit dem Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) verschweißt wird, wobei ein Isolierelement (15) bereitgestellt wird, das nach dem Setzprozess den Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) radial außen umzieht, und wobei das Isolierelement (15) als eine Bauteilstütze wirkt, die im Zustellschritt oder im Widerstandspunktschweißschritt einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den beiden Bauteilen (1, 2) infolge einer Bauteil-Kippbewegung verhindert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Verliersicherheit das Isolierelement (15) nach dem Setzprozess zwischen dem Elementkopf (7) und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) verklemmt ist.Method for joining at least two components (1, 2), with a setting process in which an auxiliary joining element (3) is driven into a first component (1), so that an element head (7) of the auxiliary joining element (3) has an element head overhang projects beyond a component surface of the first component (1), with a delivery step in which the second component (2) is brought into contact with an upper side of the element head (7), so that between the first component (1) and the second component (2 ) a gap (11) remains, and with a resistance spot welding step in which the second component (2) is welded to the element head (7) of the auxiliary joining element (3), an insulating element (15) being provided which, after the setting process, replaces the element head (7) of the auxiliary joining element (3) radially on the outside, and with the insulating element (15) acting as a component support which ensures direct electrical contact between the two components (1, 2) prevented as a result of a component tilting movement, characterized in that the insulating element (15) is clamped after the setting process between the element head (7) and the component surface of the first component (1) to prevent loss. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (15) im Hinblick auf seine Stützfunktion als eine Kunststoff-Hartkomponente ausgebildet ist, und dass die Kunststoff-Hartkomponente hitzebeständig ist, um die Stützfunktion auch im Widerstandsschweißschritt zu erfüllen, und/oder dass das Isolierelement (15) eine Materialdicke (m) aufweist, die kleiner ist als der Elementkopf-Überstand, um beim Zustellschritt einen elektrischen Kontakt zwischen der Oberseite des Elementkopfes (7) und dem zweiten Bauteil (2) zu gewährleisten.procedure after claim 1 , characterized in that the insulating element (15) is designed as a hard plastic component with regard to its supporting function, and in that the hard plastic component is heat-resistant in order to also fulfill the supporting function in the resistance welding step, and/or that the insulating element (15) has a material thickness (m) that is smaller than the projection of the element head, in order to ensure electrical contact between the upper side of the element head (7) and the second component (2) during the delivery step. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (11) zwischen den beiden Bauteilen (1, 2) mit Klebstoff (13) gefüllt wird, und dass der Klebstoff (13) im Gegensatz zum Isolierelement (15) nicht aus einer Hartkomponente, sondern aus einer pastösen, nicht hitzebeständigen Weichkomponente gefertigt ist, so dass der Klebstoff (13) im Zustellschritt und im Widerstandspunktschweißschritt ohne Stützfunktion sind.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the gap (11) between the two components (1, 2) is filled with adhesive (13), and that the adhesive (13), in contrast to the insulating element (15), does not consist of a hard component but of a pasty one , Not heat-resistant soft component is made, so that the adhesive (13) are in the delivery step and in the resistance spot welding step without a support function. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (15) in einem dem Setzprozess vorgelagerten Vormontageschritt verliersicher am noch unverformten Fügehilfselement (3) angebunden wird, und zwar an der Unterseite des Elementkopfes (7) des Fügehilfselements (3)Method according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating element (15) is captively connected to the still undeformed auxiliary joining element (3) in a pre-assembly step preceding the setting process, specifically on the underside of the element head (7) of the auxiliary joining element (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Setzprozesses eine Setzeinheit bereitgestellt ist, die einen Niederhalter (17), einen Setzstempel (19) sowie eine Matrize (21) aufweist, und dass im Setzprozess der Niederhalter (17) mit einer Niederhaltekraft (FN) das erste Bauteil (1) gegen die Matrize (21) drückt und der Setzstempel (19) ein vorpositioniertes Fügehilfselement (3) mit einer Setzkraft (Fs) in das erste Bauteil (1) eintreibt, und dass das Isolierelement (15) vor Durchführung des Setzprozesses unterhalb des Niederhalters (17) auf dem ersten Bauteil (1) positioniert wird, und dass anschließend der Setzprozess erfolgt, bei dem das Fügehilfselement (3) in das erste Bauteil (1) eingetrieben wird, und zwar unter Verklemmung des Isolierelements (15) zwischen dem Elementkopf (7) und der Bauteiloberfläche.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a setting unit is provided for carrying out the setting process, which has a hold-down device (17), a setting punch (19) and a die (21), and that in the setting process the hold-down device (17) with a hold-down force (F N ) presses the first component (1) against the die (21) and the setting punch (19) drives a pre-positioned auxiliary joining element (3) into the first component (1) with a setting force (Fs), and that the insulating element (15) is positioned below the hold-down device (17) on the first component (1) before the setting process is carried out, and that the setting process then takes place, in which the auxiliary joining element (3) is driven into the first component (1), specifically under Clamping of the insulating element (15) between the element head (7) and the component surface. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (15) in einem dem Setzprozess vorgelagerten Vormontageschritt verliersicher an einer vordefinierten Soll-Fügestelle (S) auf die Bauteiloberfläche des ersten Blechteils (1) aufgeklebt wird, und dass der Setzprozess unter Zwischenklemmung des Isolierelements (15) zwischen dem Elementkopf (7) des Fügehilfselements (3) und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) erfolgt.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the insulating element (15) is glued captively to the component surface of the first sheet metal part (1) at a predefined desired joint (S) in a pre-assembly step preceding the setting process, and in that the setting process is carried out with the insulating element (15) being clamped between the element head (7) of the auxiliary joining element (3) and the component surface of the first component (1). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzeinheit ein mitlaufendes, unterhalb des Niederhalters angeordnetes, mit Isolierelementen (15) bestücktes Prozessband (29) aufweist, und dass in dem Bandmaterial des Prozessbands (29) die Isolierelemente (15) materialeinheitlich und/oder einstückig integriert sind und/oder an Sollbruchstellen (31) vom Bandmaterial lösbar sind, und dass vor dem Setzvorgang der Niederhalter (17) eines der Isolierelemente (15) auf das erste Bauteil (1) drückt und aus dem Prozessband (29) ausstanzt, und dass anschließend der Setzvorgang unter Zwischenklemmung des Isolierelements (15) zwischen dem Elementkopf (7) und der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils (1) erfolgt.procedure after claim 4 , characterized in that the setting unit has a running process belt (29) which is arranged below the hold-down device and is equipped with insulating elements (15), and in that the insulating elements (15) are integrated in the belt material of the process belt (29) from the same material and/or in one piece and /or can be detached from the strip material at predetermined breaking points (31), and that before the setting process, the hold-down device (17) presses one of the insulating elements (15) onto the first component (1) and punches it out of the process strip (29), and that the setting process then follows with the intermediate clamping of the insulating element (15) between the element head (7) and the component surface of the first component (1). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Setzprozess das Fügehilfselement (3) unter Aufspreizung sowie unter Aufrechterhaltung eines Restbodens (r) beziehungsweise einer geschlossenen Matrizenausformung (14) in das erste Bauteil (1) eingetrieben wird, und/oder dass der Widerstandpunktschweißschritt mit einseitig angeordneten Schweißelektroden (23, 25) erfolgt, und zwar mit einer ersten Schweißelektrode (23), die in elektrischen Kontakt mit der Matrizenausformung (14) des ersten Bauteils (1) ist, und einer zweiten Schweißelektrode (25), die in elektrischen Kontakt mit dem zweiten Bauteil (2) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the setting process the auxiliary joining element (3) is driven into the first component (1) while spreading and maintaining a residual base (r) or a closed matrix formation (14), and/or that the Resistance spot welding step takes place with welding electrodes (23, 25) arranged on one side, namely with a first welding electrode (23) which is in electrical contact with the matrix formation (14) of the first component (1) and a second welding electrode (25) which is in electrical contact with the second component (2).
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