用于接合至少兩個構件的方法與流程

本發明涉及一種根據權利要求1所述的、用于接合至少兩個構件的方法，以及根據權利要求12所述的接合輔助元件，所述接合輔助元件可用作這種方法中的接合輔助元件。

背景技術：

在汽車制造中能夠以混合結構制造車輛車身，在這種混合結構中例如鋁制半成品與鋼制半成品拼接在一起。所述半成品在此優選能夠通過機械接合方法(也就是說沒有結構轉變)彼此連接，例如半中空鋼制鉚釘，其中半中空沖壓鉚接元件在鉚接過程中穿過沿鉚接方向的第一構件，并被壓裝在第二構件中，例如在維持第二構件中的剩余材料厚度的情況下。例如在EP 2314890A2中描述了這種半中空沖壓鉚釘。對最大強度的鋼來說，該半中空沖壓鉚釘由于鋼的極高的材料強度而未提供足夠的接合質量。因此，鉚釘會被損壞或者沒有充分變形。

作為上述半中空沖壓鉚釘的備選，可以使用電阻元件焊接，其中在安置步驟中把類似螺栓的接合輔助元件沖壓至第一構件(例如鋁制半成品)中并且在底部側穿過第一構件。該接合輔助元件在第一構件的鋁材料中起到焊接襯層的作用，第二構件(例如鋼制半成品)可與該焊接襯層焊接。在隨后的焊接步驟中，與接合輔助元件的元件頭背離、在底部側在第一構件中露出的端側(也就是說接合輔助元件的元件根部)與第二構件(也就是說鋼制半成品)焊接。例如由DE 102004025492A1已知了這種電阻元件焊接。

上述傳統的接合方法，即半中空沖壓鉚接或者電阻元件焊接具有各種缺陷和局限：接合輔助元件的元件頭即使在接合連接完成之后仍是可見的且其頭伸出部越過構件表面突出。此外，在接合輔助元件的元件頭和抵靠在其上的構件之間會形成間隙，該間隙在機械負荷的情況下可能會變大且會被可能的腐蝕介質侵入。在電阻焊接中，焊接電流直接從接合輔助元件和鋼制半成品旁流過。電流方向會由于可能存在的偏移/錯位或者焊接電極偏心地撞擊到接合輔助元件而改變，由此會在鋼制半成品和鋁制半成品之間產生支路。由此不再能為形成焊點核心而提供足夠的熱量供使用，因此會出現連接形成的減少。此外，點焊電極的角偏移或橫向偏移導致了接合輔助元件的偏斜。

技術實現要素：

本發明的任務在于，提供一種用于接合至少兩個構件的方法，其中以工藝和制造技術上更簡單的方式實現了兩個構件的運行可靠的連接。

該任務通過權利要求1所述的特征或者權利要求12所述的特征完成。本發明的優選改進方案在從屬權利要求中公開。

在根據本發明的方法中，在安置步驟中，即在保持在第一構件中的剩余材料厚度的情況下把接合輔助元件壓裝到第一構件中。在隨后的接合步驟(例如焊接步驟或粘合步驟)中，壓裝在第一構件中的接合輔助元件與第二構件材料接合地連接，也就是說，焊接或粘合。根據本發明，接合輔助元件在此構造為和半中空鉚接元件類似，即具有空心元件頸部和元件頭，該空心元件頸部被壓裝在第一構件中，以及所述元件頭與第二構件材料接合地連接，即焊接或粘合。

此外，在第一和第二構件之間還可以額外地安置粘合劑，像在車輛制造中在連接鋁制和鋼制構件時實際上常見的那樣。通過接合輔助元件的限定的頭伸出部可以在局部擠壓粘合劑，這樣改進了焊接結果。

即根據本發明的接合輔助元件未用作鉚接過程中的鉚接元件。鉚接過程的特征在于，借助于鉚接元件拼合多個構件。相反，在根據本發明的方法中，接合輔助元件僅沖壓到優選一個板/構件中并且該接合輔助元件由此不再被視作鉚釘。此外，在根據本發明的方法中，接合輔助元件至少一次，優選第二次通過焊接過程而變形。在鉚接時，僅進行一次半中空沖壓鉚釘的變形。

因此，與常見的接合方法不同，接合輔助元件被安置到兩個構件之間，即從外部不可見以及被保護不受外部機械負荷。與傳統的半中空沖壓鉚接相反，根據本發明，接合輔助元件優選沖壓到唯一的構件中。因此，與現有技術的區別在于，存在用于沖壓過程的明顯減小的板厚度。在使用商業上常見的半中空沖壓鉚釘出現了問題，因為其并未設計用作焊接元件，即針對熱負荷。此外，商業上常見的半中空沖壓鉚釘并未設計用于這種具有強烈減小的可用的總板厚度的沖壓過程。由此在沖壓半中空沖壓鉚釘時，機械負荷會導致裂縫或不均勻的擠裂和/或極小的剩余底部厚度。

為了避免這個問題，在材料、幾何形狀、涂層、強度和/或在安置步驟(沖壓過程)中所用的模具方面對根據本發明的接合輔助元件進行設計。鑒于接合輔助元件的材料，優選可以使用冷鐓-或冷擠壓鋼。由此通過可能的冷鍛過程保證了經濟的制造。此外，所述材料可以具有比在商業上常見的半中空鉚接元件中所用的鉚釘材料明顯更小的碳含量。此外，所用的材料必須適合焊接。例如，如下材料適合：17MnB4、19MnB4、20MnB4、27MnB4。借助于這些材料能夠改進接合輔助元件的變形特性并且避免元件中的裂縫。鑒于幾何形狀優選的是，在元件頭中的材料強度相對于在元件頸部壁中的材料強度明顯增大，由此在元件頭中得到了材料增厚部，利用該材料增厚部能充分提供用于形成元件頭和第二構件之間的焊點核心的焊接材料。例如，元件頭的頭側高度可以制造為盡可能得小，從而能夠有針對性地調節第一構件(鋁制)和第二構件(鋼板)之間的縫隙。接合輔助元件的中心中(也就是說沿著其縱軸)的頭高度優選可以在1mm和1.5mm之間，優選1.3mm，以便實現形成焊點核心以及在第二構件(鋼元件)中足夠的焊點核心深度。在第二構件中在焊接過程中產生的熱量由此明顯小于在使用商業上常見的半中空沖壓鉚釘時。此外，在焊接步驟中可以禁止熔融物向第一構件(鋁板)中迅速平降。因此把對第一構件的材料的損壞限制在最小程度。

接合輔助元件的頭直徑優選可以在5mm和8mm之間，優選在5.5mm。需要這種直徑，以保證用于在焊接步驟中安置在接合輔助元件上的電極帽的足夠大的接觸面。此外，可以利用上述頭直徑控制在焊接電極的角-和橫向偏移中的公差。元件頸部的頸部外直徑可以在3mm和6mm之間，優選3.3mm。尤其優選可以把頭直徑與在半中空沖壓鉚釘中設計類似。根據本發明的接合輔助元件的外輪廓例如對應于半中空沖壓鉚釘的外輪廓，從而在制造中可以使用相同的設備。也就是說，其不必開發新的運行工具。在此，幾何形狀也可以根據使用情況或在可能的新的設備技術的情況下發生改變。

在實施方案中，接合輔助元件的元件頭的上部構造為平行平面的。作為備選，接合輔助元件的元件頭在其上部至少部分地向上以球帽形凸出，并且是在形成上述材料增厚部的情況下。根據要求的應用情況可設想任意在凸焊中也適用的形式/幾何形狀，例如球帽形、球形尖形、角形等。因此，電流和進而焊點核心的形成可以有針對性地得到控制或形成。

根據本發明，焊點核心居中地形成在接合輔助元件和第二構件(鋼板)的內側之間。因此，可以減少偏心的材料接合的連接的缺點以及減小差的熔核形成、接合輔助元件的斜放、孔和空腔形成和強度特性的各向異性。上述球帽形材料增厚部的直徑可以小于元件頭直徑且其尺寸僅確定為大到在兩個構件之間產生仍允許的縫隙。

頸部外直徑優選可以為3mm和6mm之間。在車身中法蘭寬度較小時，優選可以選擇頸部直徑的下極限值，而在較高的連接強度時優選選擇上極限值。接合輔助元件的沿著其縱軸的元件長度可以視第一構件(鋁板)的板厚度而定在2.0mm和4.0mm之間。由此保證，在沖壓接合輔助元件(安置步驟)時產生足夠的后切部。

接合輔助元件在其背離元件頭的元件根部上具有環形輪廓。該環形輪廓優選可以通過環形環繞的銳角的安置邊棱/偏離角形成，該安置邊棱在安置步驟中作為切腳起作用。其優選可設計為銳角，以便禁止接合輔助元件的提早地變形。由此尤其可以使用5mm至7.5mm的小的模具直徑。

接合輔助元件優選可以由鋅制成。層厚度在此應該限制到最小，優選限制到5um的層厚度。即使在接合輔助元件存放時，該涂層尤其起到腐蝕保護的作用。作為鋅層的備選，也可以使用鋅鎳化合物或Almac(鋁、錫和鋅三重復合涂覆)。補充地，在需要時也可以設想其他涂層，像鋅薄片涂層以及其他以及不具有涂層的焊接元件。

接合輔助元件的材料強度應該與應用情況和材料匹配，且示例性地可以優選在950N/mm²和1100N/mm²之間，從而接合輔助元件在安置步驟中可以切入第一構件的鋁材料中且同時對鋁材料中的變形來說仍充分延展。

對接合輔助元件壓入第一構件(優選鋁板)來說，使用具有特別小的模具花紋的特殊的平面模具。在此，應該把深度減小到最小，且此外仍存在用于排擠第一構件的足夠的空間。通過這種方式可以在安置步驟中最佳地使接合輔助元件變形。模具的該減小的尺寸減小了從外部看到鉚接位置的可能性，這又導致了應用領域的擴展。必要時也可以使用不具有花紋的模具(鐵砧)。該模具由于其幾何形狀而影響焊接過程。因此，可能需要把平面模具更換為其他形狀，例如球形或芯棒模具。例如，模具花紋的直徑可以在4mm和8mm之間，優選5.5mm且深度在0mm和1mm之間，優選0.5mm。

本發明不局限于上述方面。因此也可以設想多板連接，即例如具有多個鋼板。備選地，接合輔助元件可以被壓裝在兩個鋁板中并隨后與一個或多個鋼板焊接。補充地，所述元件也可以沖壓在強度并不是特別高的鋼或鋁中且隨后焊接在更高強度的鋼構件中。

此外還強調，在安置過程之后接合輔助元件優選應該關于鋁板具有元件頭伸出部，以便類似凸焊改進焊接過程。該頭伸出部應該如此選擇，使得能產生可復制的焊點核心。對過小的頭伸出部來說，在焊接時出現支路，以及對過大的伸出部來說，出現元件的斜置或者增多的焊接飛濺。在此處提出的接合輔助元件中，優選可設定0.3mm-0.5mm的頭伸出部。但這可以根據元件幾何形狀的變化而結果不同。

在焊接過程中可以使用不同的電極帽(形式F、A、C或其他)，優選例如形式F的電極帽，相對于接合部件具有4mm至10mm的支承面。然而也可以設想其他任意的帽以及不同形式的組合。

本發明的上述和/或在從屬權利要求中反映的有利的設計和/或改進方案能夠—除了例如在明確相關的情況下或者不可結合的備選方案的情況下—能夠單個地或也能夠任意彼此組合地使用。

附圖說明

下面聯系附圖具體說明本發明和其有利的設計和/或改進方案以及其優點。

附圖示出：

圖1是構件連接的部分剖視圖，

圖2是單獨示出的接合輔助元件的部分側視剖視圖，

圖3是圖2的細部視圖；

圖4以對應于圖2的視角示出接合輔助元件的另一個實施例；

圖5和6分別示出用于制造圖1中示出的構件連接的方法步驟；

圖7和8分別示出根據另一個實施例的接合輔助元件，該實施例與圖2和4中的實施例相比被強調為最佳實施變型方案。

具體實施方式

在圖1中示出制成的構件連接，其中鋁制板件1作為第一接合配對件與作為第二接合配對件的鋼制板件3連接。兩個接合配對件1、3通過接合輔助元件5彼此連接。此外，在兩個接合配對件1、3之間設置了粘合層7。上述材料配對純粹是示例性的。作為備選，也可以設想其他任意材料，例如鎂，也可能是塑料。

根據附圖，接合輔助元件5設計為具有空心的元件頸部9以及元件頭11。在圖1中在維持剩余材料厚度r的情況下把元件頸部9在隨后說明的安置步驟I中壓裝在鋁制板件(第一接合配對件)1的材料中。相反，接合輔助元件5的元件頭11在形成焊點核心13的情況下與第二構件(鋼制板件)3焊接。

可以在前置的方法步驟中設想上述安置步驟I。作為備選，也可以在構件變形的沖壓機中，在焊接過程之后不久或之前不久。在此作為設備，機器人或固定的安置裝置適用于同時安置多個元件。這帶來了較高的準確度和較快的周期。

在圖2中，單獨示出制造狀態中的接合輔助元件5。因此，接合輔助元件5示例性地圍繞縱軸L旋轉對稱地形成，其中元件頸部9的壁15限制了在底部側敞開的、球帽狀空腔17，該空腔沿軸向以材料深度t加工在元件頸部9中。元件頸部壁15具有材料厚度m_S，該材料厚度在圖2中示例性地僅約為元件頭材料厚度m_K的三分之一，該元件頭材料厚度沿著縱軸L得出。通過這種方式，元件頭11設計為具有額外的材料增厚部21，該材料增厚部提供了用于形成焊點核心13的足夠量的焊接材料。該材料增厚部21在此如此確定尺寸，使得在焊接步驟II(圖6)之后，在元件頭11中在沒有結構變化的情況下還保留了足夠大的材料厚度Δm(圖1)。

在圖2中，頭直徑d_K為5.5mm，而頸部外直徑d_S為3.35mm。接合輔助元件5的長度l在圖2中為2.8mm，其中頭側高度l_K為約0.3mm。

像圖2和3中進一步強調的，接合輔助元件5在其背離元件頭11的側面上具有環形輪廓的元件根部19，該環形輪廓構造為環形環繞的、銳角的安置邊棱(Aufsetkante)。安置邊棱19在安置步驟I(圖5)中用作切腳，利用該切腳在安置步驟I中禁止接合輔助元件5的提前變形且同時控制元件頸部9徑向向外擠開了預定的張開距離Δy(圖1)。該張開距離Δy(圖1)優選大于0.1mm。作為補充，后切部可以大于0.1mm，優選在焊接前為0.3mm，從而在焊接之后在接合部件1、優選鋁制接合部件中存在足夠的強度。

為此所需的安置邊棱(切腳)19的幾何形狀可由圖3看出。因此，安置邊棱19從元件頸部-外壁徑向向內偏移了徑向偏差r，其中徑向偏差r為約0.15mm。根據圖3，環形輪廓19的高度h為約0.35mm。此處給出的標準僅僅理解為示例性的且不應該局限普遍的發明構思。

在圖4中以對應于圖2的視角示出另一個接合輔助元件，該接合輔助元件基本上具有和圖2中一樣的幾何形狀，元件頭11是例外。即在圖4中元件頭11的上部并未構造為平行平面的，而是以球帽狀材料增厚部21(焊接隆起)向外凸出。球帽狀材料增厚部21并未延伸直至直接接觸元件頭11的外邊緣，而是通過平行平面地環繞的環形凸肩23與元件頭11的外邊緣20間隔開。通過這種方式保證了相對于縱軸L在中心形成焊點核心13。

在圖5和6中示出安置步驟I和隨后的焊接步驟II。因此，接合輔助元件5首先沿接合方向壓裝在第一構件(鋁板)1中，進一步說在維持剩余材料厚度r的情況下。在隨后的安置步驟I中，接合輔助元件5的元件頭11以頭伸出部u從第一構件1的表面伸出，該頭伸出部為0.3mm。

隨后，為了準備焊接步驟，第二接合配對件3被放在接合輔助元件5的上部上，必要時利用在兩個接合配對件1、2之間設置的粘合層7。隨后電極25移動到一起，其中接合輔助元件5定向為與兩個電極25齊平，且在元件頭11和第二接合配對件3之間形成焊點核心13的情況下進行點焊過程。

在圖7和8中以對應于圖2的視角形成接合輔助元件5，該接合輔助元件與圖2和圖4的實施例相比可強調為最佳實施變型。

在圖7和8中示出的接合輔助元件5基本上具有和圖2中示出的接合輔助元件5相同的幾何形狀。相應地，在圖7中同樣把元件頭11的上部構造為平坦的。

與圖2和4的不同在于，在圖7和8中，接合輔助元件5的元件根部19不具有環形環繞的、銳角的安置邊棱(像在圖2至4中那樣)，而是具有倒圓的安置邊棱。其角尖端S(圖8)相對于元件頸部9的外圓周向內偏移了一徑向偏差。

在圖7和8中，頭直徑d_K為5.5mm，而頸部外直徑d_S為3.35mm。在圖7中接合輔助元件5的長度l為2.5mm，其中頭側高度l_K最大為0.3mm。材料厚度m_K(圖7)沿著縱軸L為1.3mm。此處給出的標準僅僅應理解為示例性的且不應該局限普遍的發明構思。