DE102004029230A1

DE102004029230A1 - Verfahren zum Verbinden von zwei insbesondere aus Metall bestehenden Fügepartnern mittels Überlappstoß und durch Fügen hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102004029230A1
Application number: DE102004029230A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bongards; Ralf Dipl.-Ing. Polzin; Christian Dipl.-Ing. Spoormaker
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich eine dauerhaft feste Fügeverbindung zwischen zwei, insbesondere metallischen, Fügepartnern herstellen lässt. Zu diesem Zweck werden allseitig durch eine Umrandung umgrenzte Ausnehmungen (4a-4r) in das Material des einen Fügepartners (1) im Bereich einer Fügezone (5) eingeformt, die Fügepartner (1, 2) derart ausgerichtet, dass sie einander mindestens in der Fügezone (5) im Überlappstoß (3) überlappen und der mit den Ausnehmungen (4a-4r) versehene Fügepartner (1) mit dem anderen Fügepartner (2) mindestens im Bereich der Fügezone (5) derart verpresst, dass der Werkstoff des anderen Fügepartners (2) in die Ausnehmungen (4a-4r) des mit den Ausnehmungen (4a-4r) versehenen Fügepartners (1) dringt und eine durch Formschluss und/oder einen durch das Verpressen bewirkten Stoffschluss feste Verbindung zwischen den Fügepartnern (1, 2) hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Fügepartnern mittels Überlappstoß und ein Bauteil hergestellt aus einem ersten und einem zweiten Fügepartner durch Fügen im Bereich eines zwischen beiden Fügepartnern ausgebildeten Überlappstoßes.

Durch eine Minimierung des Gewichts von Fahrzeugen lassen sich erhebliche Einsparungen bei der zum Antrieb des jeweiligen Fahrzeugs erforderlichen Energie erzielen. Daher besteht insbesondere im Bereich des Karosseriebaus seit längerem bereits die Forderung nach Werkstoffen, die eine effektive Reduzierung des Gewichts ermöglichen. Dabei sollen diese Materialen einerseits die erforderlichen Stabilitäten und andererseits eine für die Erzeugung des jeweiligen Bauteils ausreichende Verformbarkeit aufweisen.

Mit der Einführung von Bauelementen, die aus verschiedenen, an die jeweiligen Festigkeits- und Verformbarkeitsanforderungen angepassten Werkstoffen hergestellt sind, stehen gewichtsminimierte Mischbaulösungen zur Verfügung, die insbesondere im Bereich der tragenden, im Betrieb hoch belasteten Teile von Automobilkarosserien mit Erfolg eingesetzt worden sind.

Derartige "Tailored-Blanks" werden beispielsweise durch Verschweißen von mindestens zwei Stahlblechen unterschiedlicher Dicke, Festigkeit und Verformbarkeit miteinander gebildet. Auf diese Weise lässt sich ein Halbzeug fertigen, das im Bereich der im Betrieb besonders belasteten Zone eines aus dem Tailored-Blank geformten Bauteils eine besondere Festigkeit ausweist, während es in einer anderen, weniger stark belasteten Zone besonders gut verformbar ist.

Neben der tragenden Karosserie eines Fahrzeugs bietet auch das Fahrzeuginterieur Möglichkeiten der Gewichtsreduzierung. Dies betrifft beispielsweise solche Bereiche der Innenausstattung, die zwar eine ausreichende Formstabilität und Formbarkeit besitzen müssen, im Betrieb jedoch weniger hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Hutablage in PKW-Limousinen.

Grundsätzlich eignen sich für die Herstellung solcher Bauteile Bleche, die aus Leichtmetallwerkstoffen oder Kunststoffen hergestellt sind. Dem Vorteil des geringeren Gewichts steht bei aus Leichtmetallwerkstoffen hergestellten Bauteilen allerdings der Nachteil verminderter Festigkeit und dadurch bedingt verminderter Formstabilität gegenüber.

Durch die Kombination von festen Stahl-Materialien mit leichten Leichtmetallwerkstoffen lassen sich sowohl feste und formstabile als auch leichte Bauteile zur Verfügung stellen. Im Gegensatz zu den bekannten "Tailored-Blank"-Lösungen lassen sich diese Werkstoffkombinationen in der Regel jedoch nicht miteinander verschweißen. Daher werden im Karosseriebau vermehrt Metallformteile und -bleche eingesetzt, bei denen ein aus festem Stahl gefertigtes Metallteil durch eine geeignete Fügeoperation mit einem aus Leichtmetallwerkstoff hergestellten Teil verbunden wird. So werden zum Bau von Karosserien für Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge oder im Bereich der Luft- und Raumfahrt Stahl/Aluminium-, Stahl/Kupfer-, Stahl/Messing- oder auch Magnesium/Aluminium-Kombinationen eingesetzt.

Neben der Kombination von Metallen besteht des Weiteren die Möglichkeit, Kunststoffe mit Metallen zu kombinieren. Auch in diesem Fall kommt eine Verschweißung der Fügepartner nicht in Frage.

Ein Verfahren zum Erzeugen eines Metallproduktes durch Fügen eines aus einem Stahl bestehenden und eines aus einem Leichtmetallwerkstoff bestehenden Flachproduktes ist aus der DE 196 40 612 C1 bekannt. Gemäß dem bekannten Verfahren erfolgt das Fügen in einem Walzspalt, in den die miteinander zu verbindenden Teile unter einem spitzen Winkel derart eingeführt werden, dass sich ihre einander zugeordneten Randbereiche in einem Überlappstoß überlagern. Bevor die beiden Teile dann miteinander im Walzspalt bei einer auf den Bereich des Überlappstoßes beschränkten Flächenpressung miteinander verpresst werden, wird mindestens eines der Flachprodukte unmittelbar vor seinem Kontakt mit dem jeweils anderen Flachprodukt durch Strahlungsenergie auf eine unterhalb der Schmelztemperatur seines Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt. Durch diese Erwärmung sind die zum Fügen benötigten Presskräfte deutlich gegenüber den Kräften herabgesetzt, die bei einer kalt erfolgenden Verpressung benötigt werden.

Um trotz der Erwärmung beim Verpressen der Metallteile einen Materialfluss aus dem Bereich des Überlappstoßes zukompensieren, ist es gemäß dem bekannten Verfahren vorgesehen, die Oberfläche eines der an der Oberflächenpressung beteiligten Teile zu profilieren. Die Oberflächenprofilierung besteht dabei bevorzugt aus sich längs des Überlappstoßes erstreckenden Rillen. Deren Vorteil wird darin gesehen, dass sie im Bereich des Überlappstoßes eine ausreichende Flächenpressung bei gleichzeitig ausreichender Änderung von Materialfluss ermöglichen. Auf diese Weise kann das Material, welches in Folge der beim Aufwalzen des einen Fügepartners auf den anderen auftretenden Flächenpressungen zu fließen beginnt, in die zwischen den Erhebungen der Rillen ausgebildeten Aufnahmeräume fließen.

Mit der in der DE 196 40 612 C1 beschriebenen Maßnahme lässt sich zwar eine Ausdünnung der miteinander verbundenen Bleche im Bereich des Überlappungsstoßes verhindern. Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, dass die auf diese Weise hergestellten Verbindungen trotzdem den im Betrieb herrschenden Belastungen nicht standhalten. Dies gilt insbesondere beim Auftreten von quer oder senkrecht zum Überlappstoß wirkenden Scherkräften.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich eine dauerhaft feste Fügeverbindung zwischen zwei, insbesondere metallischen, Fügepartnern herstellen lässt. Ebenso sollte ein Bauteil geschaffen werden, das unter Fügen von zwei fest miteinander verbundenen Fügepartnern hergestellt ist.

In Bezug auf das Verfahren zum Verbinden von zwei Fügepartnern in einem Überlappstoß, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solches Verfahren erfindungsgemäß folgende Arbeitsschritte umfasst:

– Einformen von allseitig durch eine Umrandung umgrenzten Ausnehmungen in das Material des einen Fügepartners im Bereich einer Fügezone,
– Ausrichten der Fügepartner derart, dass sie einander mindestens in der Fügezone im Überlappstoß überlappen;
– Verpressen des mit den Ausnehmungen versehenen Fügepartners mit dem anderen Fügepartner mindestens im Bereich der Fügezone derart, dass der Werkstoff des anderen Fügepartners in die Ausnehmungen des mit den Ausnehmungen versehenen Fügepartners dringt und eine durch Formschluss und / oder einen durch das Verpressen bewirkten Stoffschluss feste Verbindung zwischen den Fügepartnern hergestellt ist.

Gemäß der Erfindung werden zwei Fügepartner in einer Fügeoperation im Bereich eines Überlappstoßes formschlüssig, stoffschlüssig oder durch eine Kombination von Form-/und Stoffschluss miteinander verbunden. Zu diesem Zweck werden mindestens in dem einen der Fügepartner Ausnehmungen eingeformt. In diese Ausnehmungen des einen Fügepartners wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens Material des anderen Fügepartners gepresst.

Auf diese Weise wird eine innige formschlüssige Verklammerung beider Fügepartner im Bereich des Überlappstoßes bewerkstelligt, die geeignet ist, den einen Fügepartner in jedem Freiheitsgrad fest mit dem jeweils anderen Fügepartner verbunden zu halten. Eine solche erfindungsgemäß erreichte Verbindung von zwei unterschiedlichen Fügepartnern erweist sich auch unter dynamischer Last als ausreichend fest, um den Anforderungen gewachsen zu sein, die sich im praktischen Einsatz von Metallprodukten der in Rede stehenden Art stellen.

Alternativ oder ergänzend zu der formschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartnern kann gemäß der Erfindung darüber hinaus auch ein in Folge der Verpressung eintretender Stoffschluss genutzt werden, um die Fügepartner fest miteinander zu verbinden. Dieser Stoffschluss tritt beim Verpressen der Fügepartner in Folge der auf die Fügezone beschränkten hohen Flächenpressungen in Form einer Kaltverschweißung ein. Beim Verpressen der beiden Materialien kommt es zu einer Relativbewegung der zu fügenden Teile, wodurch die an der Oberfläche haftende Oxidschicht aufgerissen wird. Durch den direkten Kontakt bei gleichzeitig hoher Pressung entsteht eine formschlüssige und / oder stoffflüssige Verbindung, die keinen Schmutzeffekt aufweist, so dass eine dauerhaft sichere Verbindung hergestellt ist.

Die Erfindung ermöglicht es auf einfache, mit geringem technischen Aufwand in der Serienfertigung durchführbaren Weise, Fügepartner dauerhaft fest miteinander zu verbinden, die auf konventionellem Wege, beispielsweise durch Schweißen, nicht verbunden werden können. So lassen sich die besonderen Vorteile unterschiedlicher Materialen ausnutzen und gleichzeitig hohe Gebrauchsqualitäten garantieren.

Dementsprechend wird die oben genannte Aufgabe in Bezug auf ein Bauteil, das aus einem ersten und einem zweiten Fügepartner durch Fügen im Bereich eines zwischen beiden Fügepartnern ausgebildeten Überlappstoßes hergestellt ist, dadurch gelöst, dass die Fügepartner durch in alle Freiheitsgrade wirksamen Formschluss und / oder in Folge von Presskräften sich einstellenden Stoffschluss fest miteinander verbunden sind, indem der Werkstoff des einen Fügepartners in Ausnehmungen eingedrungen ist, die in den jeweils anderen Fügepartner eingeformt sind.

Insbesondere für die großtechnische Anwendung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn die Fügepartner Flachprodukte, wie Bänder, Bleche und Blechzuschnitte, oder aus Flachprodukten erzeugte Formteile sind. Mit derartigen Flachprodukten lassen sich in erfindungsgemäßer Weise Metallprodukte erzeugen, bei denen nach Art von "Tailored-Blanks" unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Materialen in für den jeweiligen Anwendungsfall optimaler Weise miteinander kombiniert sind.

So lassen sich mit der Erfindung unterschiedlichste Werkstoffe so miteinander verkoppeln, dass sie auch unter Dauerbelastung sicher miteinander verbunden sind. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Verarbeitung von Fügepartnern, von denen der eine eine höhere Festigkeit besitzt als der andere. Beispielsweise eignet sich die Erfindung besonders zum Fügen von Fügepartnern, von denen der eine aus einem Stahl- und der andere aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie Aluminium, Kupfer oder Messing, hergestellt sind. Ebenso erlaubt es die Erfindung, dauerhaft feste Metall/Kunststoff-Verbindungen, wie beispielsweise Stahl/Kunststoff- oder Leichtmetall/Kunststoff-Verbindungen zu erzeugen. Auch ist es möglich, in erfindungsgemäßer Weise Magnesiumteile mit aus anderen Leichtmetallwerkstoffen oder Kunststoff gefertigten Teilen zu verbinden.

Im Hinblick auf eine Minimierung der Presskräfte werden die Ausnehmungen zweckmäßiger Weise in den Fügepartner mit der höheren Festigkeit eingeformt.

In solchen Fällen, in denen Flachprodukte oder daraus erzeugte Formteile in erfindungsgemäßer Weise gefügt werden sollen, kann die Fügeoperation besonders einfach dadurch durchgeführt werden, dass sich die Fügezone jeweils entlang eines Randbereichs der Flachprodukte erstreckt. Abhängig von der Formgebung des in dieser Weise erzeugten Bauteils erstreckt sich die Fügezone entlang der Längskante der Flachprodukte, die örtlich variieren kann.

Gemäß der Erfindung dienen Ausnehmungen des einen Fügepartners als Aufnahmen für das Material des jeweils anderen Fügepartners, dessen Werkstoff in diese Aufnehmungen gepresst wird. Bei den erfindungsgemäß in den einen Fügepartner eingebrachten Ausnehmungen kann es sich um Einsenkungen, wie Sacklöcher, oder durch den Fügepartner durchgehende Öffnungen, wie Schlitze, Lochungen etc., handeln. Wesentlich ist, dass die betreffenden Ausnehmungen jeweils derart ausgebildet sind, dass in Folge des Eindringens des Werkstoffs des jeweils anderen Fügepartners in die Ausnehmungen des ersten Fügepartners eine intensive Verklammerung beider Fügepartner im Bereich der Fügezone eintritt. Die örtliche Verteilung der Ausnehmungen, ihre Ausrichtung und / oder ihre Abmessungen werden dabei bevorzugt so gewählt, dass sie an die im Einsatz der Fügepartner jeweils örtlich auftretenden Belastungen angepasst sind.

Sofern das Material des Fügepartners, dessen Werkstoff in die Ausnehmungen des anderen Fügepartners eingepresst wird, ausreichend weich ist, lässt sich das Verpressen ohne vorhergehende Erwärmung des weichen Materials mit dem gewünschten erfindungsgemäßen Erfolg durchführen. Um jedoch das Verpressen zu erleichtern, kann der Fügepartner, dessen Werkstoff jeweils in die Ausnehmungen des mit den Ausnehmungen versehenen Fügepartners gepresst wird, in an sich bekannter Weise vor dem Verpressen mindestens in dem Bereich, der der Fügezone des mit den Ausnehmungen versehenen Fügepartners zugeordnet ist, auf eine Fügetemperatur erwärmt werden. Durch eine solche Erwärmung wird das in die Ausnehmungen einzupressende Material erweicht, so dass nur verminderte Presskräfte erforderlich sind und eine geringe Kaltverfestigung des weicheren Werkstoffs eintritt.

Die Erwärmung kann vor oder nach dem Arbeitsschritt "Ausrichten der Fügepartner" durchgeführt werden. In jedem Fall sollte die Fügetemperatur jedoch so gewählt werden, dass die Temperatur des erwärmten Fügepartners zum Zeitpunkt des Verpressens oberhalb einer Mindesttemperatur liegt, bei der es zu einer Erweichung desjenigen Werkstoffs kommt, aus dem der erwärmte Fügepartner gefertigt ist.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung wird die Fügetemperatur bevorzugt so eingestellt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs liegt, aus dem der erwärmte Fügepartner hergestellt ist. Einerseits können so unerwünschte Gefügeveränderungen in der erwärmten Zone des betreffenden Fügepartners vermieden werden. Zum anderen wirkt sich eine solche Erwärmung insbesondere dann günstig aus, wenn der zu erwärmende Fügepartner in einem kontinuierlichen Vorgang gleichmäßig aufgeheizt und auch das Pressen kontinuierlich bei im Wesentlichen konstanter Anpresskraft durchgeführt wird.

Abhängig von den zur Verfügung stehenden Fertigungsstätten, den besonderen Eigenschaften der verarbeiteten Materialien sowie den an die jeweils zu erstellende Verbindung besonderen gestellten Anforderungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, in dem Bereich des Abschnitts des erwärmtenFügepartners, der jeweils der Fügezone des mit den Ausnehmungen versehenen Fügepartners zugeordnet ist, die Fügetemperatur lokal begrenzt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs des erwärmten Fügepartners liegende Temperatur zu erhöhen. Bei einer solchen auf die jeweilige Fügezone konzentrierten Erwärmung können besonders geringe Drücke zum Verpressen der Fügepartner eingesetzt werden. Dies erweist sich insbesondere dann als günstig, wenn Materialen von stark unterschiedlicher Härte verarbeitet oder hohe Presskräfte zu unerwünschten Verformungen im Umfeld der Fügezone bzw. des Überlappstoßes führen würden. Für einen solchen Fall sieht die Erfindung vor, den beim Verpressen ausgeübten Druck im Bereich der über die Schmelztemperatur erhöhten Abschnitte des erwärmten Fügepartners gegenüber den anderen Abschnitten zu vermindern.

Beim Fügen von aus unterschiedlich weichen Werkstoffen bestehenden Teilen, bei denen das Material des jeweils weicheren Materials eine Erwärmung zulässt und die Erweichungstemperatur des weicheren Materials niedriger ist als die des härteren, werden die Ausnehmungen zweckmäßigerweise in das härtere Material eingeformt, während das weichere Material auf Fügetemperatur erwärmt wird. Auf diese Weise kann der für die Erwärmung notwendige Wärmeeintrag auf ein Minimum reduziert werden.

Grundsätzlich können für die Erwärmung alle Wärmequellen eingesetzt werden, mit denen sich die erforderliche Wärmemenge ausreichend konzentriert in die jeweiligen Abschnitte des zu erwärmenden Fügepartners einbringen lassen. So ist es beispielsweise denkbar, induktiv arbeitende Heizeinrichtungen zu verwenden. Besonders effektiv lässt sich die Erwärmung jedoch mittels Strahlungsenergie, insbesondere mittels eines Laserstrahls, durchführen. Strahlungsenergiequellen ermöglichen die genau dosierte Erwärmung über eine definierte Wirktiefe und Erstreckung des zu erwärmenden Materials.

Um eine sichere Verbindung der Fügeteile sicherzustellen, sollte die Breite der Fügezone mindestens das Zweifache der geringsten Dicke betragen, die eines der Fügepartner im Bereich der Fügezone aufweist.

Die Erfindung erlaubt das Verbinden von Fügepartnern beliebiger Dicke. So können Blechdicken verarbeitet werden, wie sie typischer Weise im Bereich des Karosseriebaus auftreten. Es sind jedoch auch wesentlich größere Materialstärken möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils ausschnittsweise und schematisch:
1 ein zum Fügen vorbereitetes erstes Metallteil in Draufsicht;
2–4 das erste und ein zweites Metallteil zu verschiedenen Zeitpunkten des Fügens jeweils im Querschnitt;
5 ein aus dem ersten und zweiten Metallteil fertig gefügtes Metallprodukt im Querschnitt;
6–8 verschiedene Varianten eines aus einem ersten und zweiten Metallteil gefügten Metallprodukts jeweils im Querschnitt;
9–11 verschiedene Varianten eines ersten für das Fügen vorbereiteten Metallteils jeweils in Draufsicht.
Zum Herstellen eines Metallprodukts M werden zwei als Metallteile 1, 2 vorliegende Fügepartner durch Fügen in einem Überlappstoß 3 miteinander verbunden. Bei dem ersten Metallteil 1 handelt es sich um ein Stahlblech von hoher Festigkeit und Härte, während das zweite Metallteil 2 ein wesentlich weicheres Aluminiumblech von geringem Gewicht ist. Die Dicken D der Metallteile 1, 2 entsprechen den im Automobilbau üblichen Blechdicken von 0,6–3,5 mm.
In das erste Metallteil 1 werden durch Stanzen mit Hilfe eines nicht dargestellten Stanzwerkzeuges Ausnehmungen 4a–4i in Form von sacklochartigen Einsenkungen eingeformt. Das Metallteil 1 wird dazu in einem kontinuierlich ablaufenden, automatisierten Vorgang dem Stanzwerkzeug zugeführt. Das Stanzwerkzeug prägt die Ausnehmungen 4a–4i in eine Fügezone 5, die längs des einen sich in Längsrichtung zugeordneten Rands des Metallteils 1 erstreckt und deren Breite der Breite B des Überlappstoßes 3 entspricht.
Die Ausnehmungen 4a–4i werden in wechselnder Reihenfolge in Reihen von vier bzw. fünf Ausnehmungen 4a–4e, 4f–4i jeweils auf Lücke sitzend in das Metallteil 1 angeordnet. Die jeweils außen positionierten Ausnehmungen 4a, 4e bzw. 4f, 4i jeder Reihe sind dabei bezogen auf die Oberfläche 6 der Oberseite des Metallteils 1 jeweils unter einem größeren Winkel schräg nach Außen weisend angeordnet als die zu ihnen jeweils nächst benachbart angeordneten Ausnehmungen 4b, 4d bzw. 4g, 4h. Die in der Mitte angeordnete Ausnehmung 4c ist bei den die fünf Ausnehmungen 4a–4e aufweisenden Reihen zudem senkrecht zur Oberfläche des Metallteils 1 ausgerichtet (1).
Im Anschluss an das Einformen der Ausnehmungen 4a–4i in das erste aus Stahlwerkstoff bestehende Metallteil 1 wird das zweite aus Aluminiumwerkstoff bestehende Metallteil 2 mittels einer geeigneten, hier ebenfalls nicht dargestellten Vorrichtung so ausgerichtet, dass es mit seinem einen sich in seiner Längsrichtung erstreckenden Randstreifen die Fügezone 5 des Metallteils 1 überdeckt und der Überlappstoß 3 zwischen den Metallteilen 1 und 2 gebildet ist. Die Breite B des Überlappstoßes 3, die Anzahl und die Verteilung der Ausnehmungen 4a–4i ist dabei so bemessen, dass die im Bereich des Überlappstoßes 3 gebildete Verbindung zwischen den Metallteilen ausreicht, um die im praktischen Einsatz des Metallproduktes M in einer Automobilkarosserie auftretenden Belastungen sicher zu ertragen (2).
Nach dem Ausrichten wird das aus dem weichen Aluminium bestehende Metallteil 2 mittels eines von einem Laser 7 erzeugten Laserstrahls 8 in seinem auf die Breite B des Überlappstoßes 3 beschränkten, dem Metallteil 1 zugeordneten Randstreifen 9 auf eine Fügetemperatur erwärmt, die 300 °C bis 630 °C beträgt. Diese Fügetemperatur liegt damit unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstoffs, jedoch in einem Temperaturbereich, in dem es zu einer Erweichung dieses Werkstoffs kommt (3).
Die Fließspannung des Al-Werkstoffs wird auf diese Weise so stark herabgesetzt, dass beim anschließenden Pressvorgang Pressungen im Bereich von 12.000 kN/cm² bis 20.000 kN/cm² ausreichen, um den Al-Werkstoff des zweiten Metallteils 2 in die Ausnehmungen 4a–4i des ersten Metallteils 1 zu drücken. Zu diesem Zweck wird eine Pressrolle 10 über den erwärmten Randbereich 9 des Metallteils 2 gerollt, die mit entsprechendem Druck auf den Randbereich 9 wirkt. Der Wirkbereich der Pressrolle 10 ist dabei auf den Randbereich 9 beschränkt, so dass nur dieser Randbereich 9 durch das Verpressen verformt wird. Die Ausnehmungen 4a–4i des ersten Metallteils 1 werden auf diese Weise mit Al-Material des zweiten Metallteils 2 gefüllt (4).
Im Ergebnis wird so das Metallprodukt M erhalten, bei dem die beiden Metallteile 1 und 2 durch das formschlüssig in die Ausnehmungen 4a–4i des Metallteils 1 greifende Al-Material des zweiten Metallteils 2 fest miteinander verbunden sind. Die Ausrichtung der Ausnehmungen 4a–4i stellt dabei sicher, dass die Metallteile 1, 2 auch unter den im praktischen Einsatz des Metallproduktes M auftretenden dynamischen Belastungen in allen Freiheitsgraden sicher und dauerhaft fest miteinander verkoppelt sind (5).
Im Bedarfsfall kann die Festigkeit der Verbindung zwischen den Metallteilen 1, 2 dadurch gesteigert werden, dass die Ausnehmungen 4a–4i nicht in Form von Sacklöchern ausgebildet werden, sondern als Durchgangsöffnungen, die sich von der Ober- bis zur Unterseite des Metallteils 1 erstrecken (6).
Eine andere Möglichkeit, eine den im jeweiligen Einsatzfall auftretenden Belastungen gerecht werdende Belastbarkeit der im Bereich des Überlappstoßes 3 hergestellten Verbindung zwischen den Metallteilen 1 und 2 zu gewährleisten besteht darin, die Größe und Anzahl der Ausnehmungen 4a–4i zu variieren. So kann beispielsweise eine geringere Anzahl von Ausnehmungen 4j–4l vorgesehen werden, wenn die Dynamik der im Betrieb auftretenden Belastung geringer ist (7).
Fertigungstechnisch einfach hergestellt werden können in das Metallteil 1 eingeformte Ausnehmungen dann, wenn sie alle in gleicher Weise senkrecht zur Oberfläche 6 des Metallteils 1 ausgerichtet sind. Um dabei die Festigkeit der formschlüssigen Verbindung in allen Freiheitsgraden zu unterstützen, können die betreffenden Ausnehmungen 4m–4o einen von der Unterseite 11 des Metallteils 1 zur Oberfläche 6 von dessen Oberseite hin abnehmenden Durchmesser aufweisen. Derartige Ausnehmungen 4m–4o lassen sich dann auf einfache Weise von der Unterseite 11 her in das Metallteil 1 einformen (8).
Die Anordnung und Anzahl der Ausnehmungen lässt sich, wie erwähnt, an die im praktischen Betrieb des Metallprodukts M jeweils auftretenden Belastungen anpassen. So können die Ausnehmungen 4p in gleichmäßiger Anordnung in gleichförmigen Reihen positioniert werden (9). Auch können auf Lücke regelmäßig oder unregelmäßig angeordnete Ausnehmungen 4q vorgesehen sein, deren Verteilung entsprechend den lokal auftretenden Belastungen unterschiedlich sein können (10). Eine weitere Möglichkeit, eine besonders sichere feste formschlüssige Verbindung zwischen den Metallteilen 1, 2 als Fügepartner zu erzeugen, besteht darin, dass in das Metallteil 1 schlitzartige Ausnehmungen 4r eingeformt werden. Auch diese Ausnehmungen 4r können den im praktischen Einsatz auftretenden Belastungen entsprechend regelmäßig (11) oder unregelmäßig angeordnet werden.
Sämtliche Ausnehmungen 4a–4r lassen sich nicht nur durch Stanzen oder vergleichbare mechanische Methoden in das Metallteil 1 einformen, sondern auch mittels Strahlenergie, beispielsweise durch Laserschneiden oder Laserbohren.
Neben der erläuterten Pressrolle 10 können zum Verpressen der Metallteile 1, 2 auch Stempel oder andere Werkzeuge eingesetzt werden. Derartige Stempel sind für das Verpressen dann besonders geeignet, wenn jeweils nur lokal begrenzte Presskräfte aufgebracht werden sollen oder die Presskräfte über die Längserstreckung des Überlappstoßes 3 variiert werden müssen.
Unter Umständen kann es auch günstig sein, in beide Metallteile 1, 2 Ausnehmungen einzuformen, und sowohl Material des Metallteils 2 in Ausnehmungen des Metallteils 1 als auch Material des Metallteils 1 in Ausnehmungen des Metallteils 2 zu pressen, um eine möglichst feste Verbindung beider Teile 1, 2 zu erreichen.

1: aus Stahlwerkstoff hergestelltes Metallteil
2: aus Aluminiumwerkstoff hergestelltes Metallteil
3: Überlappstoß
4a–4r: Ausnehmungen
5: Fügezone
6: Oberfläche der Oberseite des Metallteils 1
7: Laser
8: Laserstrahl
9: erwärmter Randbereich des Metallteils 2
10: Pressrolle
11: Unterseite des Metallteils 1
B: Breite des Überlappstoßes 3 und der Fügezone 5
D: Dicken der Metallteile 1,2
M: Metallprodukt

Claims

Verfahren zum Verbinden von zwei Fügepartnern (1, 2) in einem Überlappstoß (3), das folgende Arbeitsschritte umfasst: – Einformen von allseitig durch eine Umrandung umgrenzten Ausnehmungen (4a–4r) in das Material des einen Fügepartners (1) im Bereich einer Fügezone (5), – Ausrichten der Fügepartner (1, 2) derart, dass sie einander mindestens in der Fügezone (5) im Überlappstoß (3) überlappen; – Verpressen des mit den Ausnehmungen (4a–4r) versehenen Fügepartners (1) mit dem anderen Fügepartner (2) mindestens im Bereich der Fügezone (5) derart, dass der Werkstoff des anderen Fügepartners (2) in die Ausnehmungen (4a–4r) des mit den Ausnehmungen (4a–4r) versehenen Fügepartners (1) dringt und eine durch Formschluss und / oder einen durch das Verpressung bewirkten Stoffschluss feste Verbindung zwischen den Fügepartnern (1, 2) hergestellt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Fügepartner ein Metallteil (1, 2) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) Flachprodukte, wie Bänder, Bleche, Blechzuschnitte, oder aus Flachprodukten erzeugte Formteile sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des einen Fügepartners (1) eine höhere Festigkeit besitzt als das Material des anderen Fügepartners (2).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4a–4r) in den Fügepartner (1) mit der höheren Festigkeit eingeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fügepartner (1, 2) aus jeweils einem Metallwerkstoff hergestellt sind und dass der eine Fügepartner (2) aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Fügepartner aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist und der andere aus einem Kunststoff besteht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4f–4r) als Öffnungen ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4a–4e) als Sacklöcher ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche Verteilung der Ausnehmungen (4a–4r), ihre Ausrichtung und / oder ihre Abmessungen an die im Einsatz der Fügepartner (1, 2) örtlich auftretenden Belastungen angepasst sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügezone (5) jeweils entlang eines Randbereichs der Fügepartner (1, 2) erstreckt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügepartner (2), dessen Werkstoff in die Ausnehmungen (4a–4r) des mit den Ausnehmungen (4a–4r) versehenen Fügepartners (1) gepresst wird, vor dem Verpressen mindestens in dem Bereich, der der Fügezone (5) des mit den Ausnehmungen (4a–4r) versehenen Fügepartners (1) zugeordnet ist, auf eine Fügetemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügetemperatur oberhalb einer Mindesttemperatur liegt, bei der es zu einer Erweichung des Werkstoffs kommt, aus dem der erwärmte Fügepartner (2) gefertigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügetemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs liegt, aus dem der erwärmte Fügepartner (2) gefertigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich des Abschnitts des erwärmten Fügepartners (2), der jeweils der Fügezone (5) des mit den Ausnehmungen (4a–4r) versehenen Fügepartners (1) zugeordnet ist, die Fügetemperatur lokal begrenzt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs des erwärmten Fügepartners (2) liegende Temperatur erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Verpressen ausgeübte Druck im Bereich der über die Schmelztemperatur erhöhten Abschnitte des erwärmten Fügepartners (2) gegenüber den anderen Abschnitten dieses Fügepartners (2) vermindert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels eines Lasers (7) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Fügezone mindestens das Zweifache der geringsten Dicke (D) beträgt, die eines der Fügepartner (1, 2) im Bereich der Fügezone aufweist.
Bauteil, hergestellt aus einem ersten und einem zweiten Fügepartner (1, 2) durch Fügen im Bereich eines zwischen beiden Fügepartnern (1, 2) ausgebildeten Überlappstoßes (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) durch in alle Freiheitsgrade wirksamen Formschluss und / oder in Folge von Presskräften sich einstellenden Stoffschluss fest miteinander verbunden sind, indem der Werkstoff des einen Fügepartners (2) in Ausnehmungen (4a–4r) eingedrungen ist, die in den jeweils anderen Fügepartner (1) eingeformt sind.
Bauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Fügepartner (2) eine geringere Festigkeit aufweist als der andere Fügepartner (1).
Bauteil nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) aus Metallwerkstoff gefertigt sind.
Bauteil nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Fügepartner (1) mit höherer Festigkeit aus einem Stahlwerkstoff und der andere Fügepartner (2) aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallwerkstoff ein Aluminium-, Kupfer-, Magnesium- oder Messingwerkstoff ist.
Bauteil nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fügepartner (1) aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sind.
Bauteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Fügepartner aus einem Magnesium- und der andere Fügepartner aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen.
Bauteil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Fügepartner aus einem Metallwerkstoff und der andere Fügepartner aus einem Kunststoff besteht.