DE102011109808B4 - Process for producing a component connection by element friction welding - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung, bei der zumindest zwei Bauteile (5, 6) mittels eines stiftförmigen Verbindungselementes (1), das einen Schaft (3) und einen ausgeweiteten Kopf (4) aufweist, verbunden werden, das in einem Fügevorgang (F) unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung über ein Werkzeug (8) in die Bauteile (5, 6) eingetrieben wird und die Bauteilverbindung über Reibungserhitzen und lokale Verformung der Bauteilwerkstoffe erzeugt wird, wobei im Fügevorgang (F) das Werkzeug (8) den ausgeweiteten Kopf (4) des Verbindungselements (1) mit einer Andruckkraft (FF) und einem Drehmoment (MF) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Qualitätsprüfung der Bauteilverbindung einen Prüfschritt (P) aufweist, bei dem das Verbindungselement (1) mit einem Prüfmoment (Mp) als axiales Drehmoment belastet wird, und bei einem zerstörungsfreien Erreichen des Prüfmoments (Mp) die Qualitätsprüfung ohne Beanstandung abgeschlossen wird, dass das Prüfmoment (MP) über das im Fügevorgang (F) verwendete Werkzeug (8) in das Verbindungselement (1) eingeleitet wird, dass der Prüfschritt (P) unmittelbar nach dem Ende des Fügevorgangs (F) erfolgt, dass das Werkzeug (8) nach dem Ende des Fügevorgangs (F) in formschlüssiger Anlage mit dem Kopf (4) des Verbindungselements (1) bleibt, so dass im Prüfschritt (P) das Prüfmoment (Mp) mit einer Andruckkraft (FP) in den Kopf (4) des Verbindungselements (1) einleitbar ist, dass die Größe des Prüfmoments (MP) auf der Grundlage eines Versagensmoments bestimmt wird, bei dem nach dem Fügevorgang (F) eine Verdrehbewegung des Verbindungselements (1) einsetzt, und dass das Versagensmoment empirisch anhand von Versuchen ermittelt wird, bei denen die Verbindungselemente von Probe-Bauteilverbindungen bis zum Einsetzen einer Verdrehbewegung mit einem ansteigenden Drehmoment belastet werden, und dass das mit Beginn der Verdrehbewegung erfasste Drehmoment dem Versagensmoment entspricht.Method for producing a component connection, in which at least two components (5, 6) are connected by means of a pin-shaped connecting element (1) which has a shank (3) and an expanded head (4), which is carried out in a joining process (F) under pressure and rotation is driven into the components (5, 6) via a tool (8) and the component connection is produced via friction heating and local deformation of the component materials, with the tool (8) forming the expanded head (4) in the joining process (F) of the connecting element (1) is subjected to a pressing force (FF) and a torque (MF), characterized in that the method for quality testing of the component connection has a test step (P) in which the connecting element (1) is subjected to a test torque (Mp) as axial torque is loaded, and if the test torque (Mp) is reached without damage, the quality test is completed without objection that the test torque (MP) exceeds d he tool (8) used in the joining process (F) is introduced into the connecting element (1), that the test step (P) takes place immediately after the end of the joining process (F), that the tool (8) after the end of the joining process (F ) remains in positive contact with the head (4) of the connecting element (1), so that in test step (P) the test torque (Mp) can be introduced into the head (4) of the connecting element (1) with a contact pressure (FP) such that the size of the test moment (MP) is determined on the basis of a failure moment at which a twisting movement of the connecting element (1) begins after the joining process (F), and that the failure moment is determined empirically on the basis of tests in which the connecting elements of test Component connections are loaded with an increasing torque until the onset of a twisting movement, and that the torque detected at the beginning of the twisting movement corresponds to the failure moment.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei der zumindest zwei Bauteile mit Hilfe eines stiftförmigen Verbindungselementes durch Reibschweißen miteinander verbunden sind.The invention relates to a method for producing a component connection according to the preamble of
Reibschweiß-Verfahren können in der Großserienproduktion im Fahrzeugbau eingesetzt werden. Hierbei werden typischerweise als Fügepartner ein tragendes Bauteil, zum Beispiel ein hochfestes Stahlblechteil, und ein daran zu befestigendes Bauteil, zum Beispiel ein weiches Aluminiumblechteil, miteinander verbunden.Friction welding processes can be used in large series production in vehicle construction. Typically, a load-bearing component, for example a high-strength sheet steel part, and a component to be fastened to it, for example a soft sheet aluminum part, are connected to one another as the joining partner.
Aus der
Um eine Prozesssicherheit zu gewährleisten, wird bei einem solchen, aus dem Stand der Technik bekannten Setzprozess eine Prozessüberwachung durchgeführt, bei der die Prozessparameter im Rahmen einer Online-Überprüfung überwacht werden. Hieraus ist jedoch keine direkte Aussage über das tatsächliche Tragverhalten der Bauteilverbindung möglich.In order to ensure process reliability, process monitoring is carried out in such a setting process known from the prior art, in which the process parameters are monitored as part of an online check. However, no direct statement can be made from this about the actual load-bearing behavior of the component connection.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindung bereitzustellen, bei der die Verbindungsfestigkeit bzw. das Tragverhalten der Bauteilverbindung in einfacher Weise überprüft werden kann.The object of the invention is to provide a method for producing such a component connection in which the connection strength or the load-bearing behavior of the component connection can be checked in a simple manner.
Aus der
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass insbesondere bei einer Großserienproduktion im Fahrzeugbau aus Gründen der Prozesssicherheit eine direkte Aussage über das Tragverhalten der durch das Reibschweißen erzeugten Bauteilverbindung von großer Bedeutung ist. Vor diesem Hintergrund weist das Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zur Qualitätsprüfung der Bauteilverbindung einen Prüfschritt auf, der nicht während des Setzprozesses, sondern erst nach der Fertigstellung der Bauteilverbindung durchgeführt wird. Im Prüfschritt wird das Verbindungselement mit einem Prüfmoment belastet. Bei einem zerstörungsfreien Erreichen des Prüfmoments wird der Prüfschritt ohne Beanstandung abgeschlossen. Dadurch ist eine zerstörungsfreie Verbindungsprüfung ermöglicht, mit der auf das Tragverhalten der Verbindung zurückgeschlossen werden kann. Für den Fall, dass es bei Beaufschlagung des Prüfmomentes zu einer Lockerung des Verbindungselementes kommt, wird die Bauteilverbindung einem Materialausschuss zugeführt oder zur Nachbearbeitung gekennzeichnet.The object is solved by the features of
Das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren ist daher in einen Setzprozess bzw. Fügevorgang sowie einen nachfolgenden Prüfschritt zweigeteilt. Im Setzprozess kann der noch lose Bauteilverbund mit den beiden oder mehreren Fügepartnern zunächst zueinander positioniert werden. Anschließend können die beiden Fügeteile mit Hilfe eines Niederhalters zusammengedrückt werden. Danach wird das Verbindungselement unter Druck sowie Rotationsbeaufschlagung mit Hilfe eines Antriebsstößels gegen den Bauteilverbund gedrückt und über Reibungserhitzen sowie lokale Verformung der Bauteilwerkstoffe eingetrieben. Der Fügevorgang endet nach erfolgter Abkühlung der so erzeugten Bauteilverbindung.The friction welding method according to the invention is therefore divided into a setting process or joining process and a subsequent test step. In the setting process, the still loose component assembly with the two or more joining partners can first be positioned relative to one another. The two parts to be joined can then be pressed together using a hold-down device. The connecting element is then pressed against the composite component under pressure and rotation with the aid of a drive ram and driven in via friction heating and local deformation of the component materials. The joining process ends after the component connection created in this way has cooled down.
Anschließend wird der Prüfschritt durchgeführt, bei dem das Prüfmoment in das verschweißte Verbindungselement eingeleitet wird. Das Prüfmoment wird dabei bevorzugt unmittelbar in den ausgeweiteten Kopf des Verbindungselementes eingeleitet, der im Endzustand aus dem Bauteilverbund ragt. Prozesstechnisch besonders bevorzugt ist es, wenn der bereits im Fügevorgang eingesetzte Antriebsstößel zusätzlich auch im Prüfschritt verwendet wird. Hierzu wird der Antriebsstößel im Prüfschritt mit einem vorgegebenen Prüfmoment sowie einer vorgegebenen Andruckkraft auf den Kopf des Verbindungselementes gepresst. Die im Prüfschritt erforderliche Andruckkraft ist dabei wesentlich kleiner als die Andruckkraft im Fügevorgang. Die Andruckkraft im Prüfschritt ist insbesondere zumindest um 50% reduziert. Bei Stahlblechteilen mit Zugfestigkeiten kleiner als 800MPa sind dabei Andruckkräfte in einer Größenordnung von 0,6kN bis 1,6kN anwendbar. Die Andruckkräfte im Prüfschritt sind dabei so ausgelegt, dass eine Bauteildeformation im Fügebereich verhindert wird und eine Verfälschung des Prüfergebnisses durch eine erhöhte Unterkopfreibung zwischen dem Kopf des Verbindungselementes und dem damit in Verbindung stehenden Fügepartner verhindert wird. Die Andruckkraft muss jedoch ausreichend hoch sein, um einen sicheren Krafteingriff zwischen dem Antriebsstößel (das heißt Setzwerkzeug) und dem Kopf des Verbindungselementes zu gewährleisten.The test step is then carried out, in which the test torque is introduced into the welded connection element. The test torque is preferably introduced directly into the expanded head of the connecting element, which protrudes from the component assembly in the final state. It is particularly preferred in terms of process technology if the drive ram already used in the joining process is also used in the test step. For this purpose, the drive tappet is pressed onto the head of the connecting element in the test step with a specified test torque and a specified pressure force. The pressure force required in the test step is significantly smaller than the pressure force in the joining process. The pressing force in the test step is in particular reduced by at least 50%. For sheet steel parts with Tensile For speeds of less than 800MPa, pressure forces of the order of 0.6kN to 1.6kN can be used. The pressure forces in the test step are designed in such a way that component deformation in the joint area is prevented and falsification of the test result due to increased under-head friction between the head of the fastener and the joint partner connected to it is prevented. However, the pressing force must be sufficiently high to ensure reliable force engagement between the drive plunger (i.e. setting tool) and the head of the connecting element.
Prozesstechnisch erfolgt der Prüfschritt unmittelbar im Anschluss an den Fügevorgang, das heißt unmittelbar nach dem Abkühlen der Bauteilverbindung, so dass der Antriebsstößel (Setzwerkzeug) nach dem Ende des Fügevorgangs nach wie vor in Anlage mit dem Kopf des Verbindungselementes bleiben und nach der Abkühlphase den Prüfschritt durchführen kann.In terms of process technology, the test step takes place immediately after the joining process, i.e. immediately after the component connection has cooled down, so that the drive ram (setting tool) remains in contact with the head of the connecting element after the end of the joining process and carries out the test step after the cooling phase can.
Die Größe des Prüfmomentes wird auf der Grundlage eines Versagensmomentes bestimmt. Das Versagensmoment wird empirisch anhand von Versuchen ermittelt, bei denen die Verbindungselemente von Probe-Bauteilverbindungen bis zum Einsetzen einer Verdrehbewegung mit einem ansteigenden Drehmoment belastet werden. Das mit Beginn der Verdrehbewegung erfasste Drehmoment entspricht dem vorgenannten Versagensmoment. Beispielhaft kann das Prüfmoment zwischen 10% und 20% geringer sein als das empirisch ermittelte Versagensmoment. Der nach dem Fügevorgang durchgeführte Prüfschritt ist dann beanstandungsfrei, wenn das zu prüfende Verbindungselement trotz Beaufschlagung des Prüfmomentes drehfest in der Bauteil-Verbindung verbleibt, das heißt die Beaufschlagung des Prüfmomentes zu keinem Verdrehen des Verbindungselementes führt.The magnitude of the test moment is determined based on a failure moment. The failure moment is determined empirically using tests in which the connecting elements of test component connections are loaded with an increasing torque until the onset of a twisting movement. The torque recorded at the beginning of the torsional movement corresponds to the aforementioned failure torque. For example, the test torque can be between 10% and 20% less than the empirically determined failure torque. The test step carried out after the joining process is free of complaints if the connection element to be tested remains non-rotatable in the component connection despite the application of the test torque, i.e. the application of the test torque does not lead to any twisting of the connection element.
Die Prüfeinrichtung zur Durchführung der oben erwähnten Qualitätsprüfung umfasst ein Steuermodul, mit dem der Antriebsstößel mit einem Prüfmoment sowie einer Prüf-Andruckkraft beaufschlagt wird. Zudem weist die Prüfeinrichtung einen Sensor auf, mit dem gegebenenfalls eine Zerstörung der Bauteilverbindung bei Durchführung des Prüfschrittes erfasst werden kann. Bevorzugt kann der Sensor hierzu einen Drehwinkel des Verbindungselementes erfassen. Bei Erfassung eines Drehwinkels, der größer als 0 ist, wird von einer Zerstörung der Bauteilverbindung ausgegangen. Die geprüfte Bauteilverbindung verbleibt daher nicht mehr im Herstellungsprozess, sondern wird diese vielmehr dem Materialausschuss oder der Nachbearbeitung zugeführt.The test device for carrying out the above-mentioned quality test comprises a control module with which the drive ram is subjected to a test torque and a test contact pressure. In addition, the testing device has a sensor with which a destruction of the component connection can be detected when the testing step is carried out. For this purpose, the sensor can preferably detect a rotation angle of the connecting element. If a rotation angle greater than 0 is detected, it is assumed that the component connection has been destroyed. The tested component connection therefore no longer remains in the manufacturing process, but is instead sent to material scrap or post-processing.
Nach Beendigung des Prüfschrittes kann der Antriebsstößel des Setzwerkzeuges um einen Rückhub vom Verbindungselement entfernt werden. Anschließend kann eine Weiterverarbeitung der Bauteilverbindung erfolgen.After completion of the test step, the drive ram of the setting tool can be removed from the connecting element by one return stroke. The component connection can then be processed further.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Setzwerkzeug zur Herstellung der Bauteilverbindung einen auf das zumindest eine Bauteil aufsetzbaren Niederhalter aufweisen. Innerhalb des Niederhalters ist das Verbindungselement angeordnet und kann dieses über den Antriebsstößel in Axialrichtung und in Rotationsrichtung beaufschlagt werden. Der Niederhalter gewährleistet prozesssicher darstellbare Verfahrensabläufe und trägt dazu bei, dass die beim Eintreiben des Verbindungselementes sich ausbildenden Auskragungen und Durchzüge gezielt ausgeformt und unerwünschte Verzüge vermieden werden.In a further refinement, the setting tool for producing the component connection can have a hold-down device which can be placed on the at least one component. The connecting element is arranged inside the hold-down device and can be acted upon by the drive ram in the axial direction and in the direction of rotation. The hold-down device ensures process sequences that can be reliably reproduced and contributes to the fact that the projections and passages that form when the connecting element is driven in are shaped in a targeted manner and unwanted distortions are avoided.
Beispielhaft kann bei Durchführung des Fügevorgangs die Anpresskraft bei 5kN liegen. Die Drehzahl des Antriebsstößels kann dabei ausgehend von einer Anfangsdrehzahl von zumindest 2000 1/min bis zu einer Enddrehzahl von zumindest 3500 1/min variieren. Alternativ kann die Anpresskraft in anderen Prozessvarianten eine Größe von 2kN nicht übersteigen.For example, when carrying out the joining process, the contact pressure can be 5kN. The speed of the drive tappet can vary from an initial speed of at least 2000 rpm to a final speed of at least 3500 rpm. Alternatively, the contact pressure in other process variants cannot exceed 2kN.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and/or developments of the invention explained above and/or reproduced in the subclaims can be used individually or in any combination with one another, except, for example, in cases of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous training and developments and their advantages are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:
-
1 in einem Längsschnitt eine feste Bauteilverbindung zwischen aneinander liegenden Fügeteilen mit Hilfe eines stiftförmigen Verbindungselementes, das über ein Werkzeug selbstbohrend in die Bauteile eingetrieben und in diesen verankert ist; -
2 in einer Prinzipdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und -
3 bis7 unterschiedliche Prinzipdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung der Bauteilverbindung.
-
1 in a longitudinal section, a fixed component connection between adjacent parts to be joined with the aid of a pin-shaped connecting element, which is driven into the components in a self-drilling manner using a tool and is anchored in them; -
2 in a schematic representation of a device for carrying out the manufacturing method according to the invention; and -
3 until7 Different principle representations to illustrate a method for producing the component connection.
In der
Wie aus der
In der
In den
Durch Erhöhung der Drehzahl n des Verbindungselementes 1 bei gleichzeitigem axialen Vorschub wird das Eintreiben und die dabei auftretende Prozesstemperatur so gesteuert, dass durch mehr oder weniger starke Reibbelastung die gewünschten Prozessparameter und Verbindungseigenschaften erzeugt werden. Die Enddrehzahl des Verbindungselementes beträgt bevorzugt ca. 3500 1/min.By increasing the speed n of the connecting
Unmittelbar anschließend an dem Fügevorgang F wird gemäß der
Die während des Prüfvorganges P erzeugte Andruckkraft FP des Antriebsstößels 10 liegt bei Stahlblechen mit Zugfestigkeiten kleiner als 800MPa bei etwa 0,6kN bis 1,6kN, wodurch eine Bauteildeformation im Fügebereich verhindert wird und eine Verfälschung des Prüfergebnisses durch erhöhte Unterkopfreibung zwischen dem Verbindungselement 1 und dem oberen Bauteil 5 verhindert wird. Bei Zugfestigkeiten bis 800MPa sollte die Prüfkraft zwischen 0,3kN bis 1kN liegen. Die Prüfkraft ist so groß zu wählen, dass ein Abheben des Antriebes vom Elementkopf 4 verhindert wird und die Verbindung sowie die Fügestelle selbst dadurch nicht geschädigt wird.The pressure force F P of the
Im Prüfschritt P wird daher das Verbindungselement 1 mit dem Prüfmoment MP sowie der Andruckkraft FP belastet. Bei einem zerstörungsfreien Erreichen des Prüfmomentes MP wird die Qualitätsprüfung ohne Beanstandung abgeschlossen. Demgegenüber wird bei einer Erfassung eines Drehwinkels α größer 0 in der Vergleichseinheit 17 von einer Zerstörung der Bauteilverbindung ausgegangen. Entsprechend wird die geprüfte Bauteilverbindung nach Beendigung des Prüfschritts P vom Herstellungsprozess ausgekoppelt und in den Materialausschuss geführt oder zur Nachbearbeitung gekennzeichnet.In the test step P, the connecting
Nach Beendigung des Prüfschritts P erfolgt ein Rückhub R (
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verbindungselementfastener
- 22
- SpitzeTop
- 33
- Schaftshaft
- 3a3a
- Riffelungcorrugation
- 44
- Kopfhead
- 55
- Bauteilcomponent
- 5a5a
- DurchzugDraft
- 5b5b
- Auskragungcantilever
- 66
- Bauteilcomponent
- 6a6a
- DurchzugDraft
- 6b6b
- Auskragungcantilever
- 88th
- Bearbeitungswerkzeugediting tool
- 99
- Niederhalterhold-down
- 1010
- Antriebsstößeldrive tappet
- 1111
- Stegweb
- 1313
- Prüfeinrichtungtesting facility
- 1414
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1515
- Drehwinkelsensorangle of rotation sensor
- 1717
- Vergleichseinheitcomparison unit
- Ff
- Fügevorgangjoining process
- PP
- Prüfvorgangtesting process
- αa
- Drehwinkelangle of rotation
- MP, MFMP, MF
- Drehmomentetorques
- FP, FFFP, FF
- Andruckkräftepressure forces
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|---|---|
| DE102011109808A1 (en) | 2013-02-14 |
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