用于接合至少两个构件的方法与流程

本发明涉及一种根据权利要求1所述的、用于接合至少两个构件的方法，以及根据权利要求12所述的接合辅助元件，所述接合辅助元件可用作这种方法中的接合辅助元件。

背景技术：

在汽车制造中能够以混合结构制造车辆车身，在这种混合结构中例如铝制半成品与钢制半成品拼接在一起。所述半成品在此优选能够通过机械接合方法(也就是说没有结构转变)彼此连接，例如半中空钢制铆钉，其中半中空冲压铆接元件在铆接过程中穿过沿铆接方向的第一构件，并被压装在第二构件中，例如在维持第二构件中的剩余材料厚度的情况下。例如在EP 2314890A2中描述了这种半中空冲压铆钉。对最大强度的钢来说，该半中空冲压铆钉由于钢的极高的材料强度而未提供足够的接合质量。因此，铆钉会被损坏或者没有充分变形。

作为上述半中空冲压铆钉的备选，可以使用电阻元件焊接，其中在安置步骤中把类似螺栓的接合辅助元件冲压至第一构件(例如铝制半成品)中并且在底部侧穿过第一构件。该接合辅助元件在第一构件的铝材料中起到焊接衬层的作用，第二构件(例如钢制半成品)可与该焊接衬层焊接。在随后的焊接步骤中，与接合辅助元件的元件头背离、在底部侧在第一构件中露出的端侧(也就是说接合辅助元件的元件根部)与第二构件(也就是说钢制半成品)焊接。例如由DE 102004025492A1已知了这种电阻元件焊接。

上述传统的接合方法，即半中空冲压铆接或者电阻元件焊接具有各种缺陷和局限：接合辅助元件的元件头即使在接合连接完成之后仍是可见的且其头伸出部越过构件表面突出。此外，在接合辅助元件的元件头和抵靠在其上的构件之间会形成间隙，该间隙在机械负荷的情况下可能会变大且会被可能的腐蚀介质侵入。在电阻焊接中，焊接电流直接从接合辅助元件和钢制半成品旁流过。电流方向会由于可能存在的偏移/错位或者焊接电极偏心地撞击到接合辅助元件而改变，由此会在钢制半成品和铝制半成品之间产生支路。由此不再能为形成焊点核心而提供足够的热量供使用，因此会出现连接形成的减少。此外，点焊电极的角偏移或横向偏移导致了接合辅助元件的偏斜。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供一种用于接合至少两个构件的方法，其中以工艺和制造技术上更简单的方式实现了两个构件的运行可靠的连接。

该任务通过权利要求1所述的特征或者权利要求12所述的特征完成。本发明的优选改进方案在从属权利要求中公开。

在根据本发明的方法中，在安置步骤中，即在保持在第一构件中的剩余材料厚度的情况下把接合辅助元件压装到第一构件中。在随后的接合步骤(例如焊接步骤或粘合步骤)中，压装在第一构件中的接合辅助元件与第二构件材料接合地连接，也就是说，焊接或粘合。根据本发明，接合辅助元件在此构造为和半中空铆接元件类似，即具有空心元件颈部和元件头，该空心元件颈部被压装在第一构件中，以及所述元件头与第二构件材料接合地连接，即焊接或粘合。

此外，在第一和第二构件之间还可以额外地安置粘合剂，像在车辆制造中在连接铝制和钢制构件时实际上常见的那样。通过接合辅助元件的限定的头伸出部可以在局部挤压粘合剂，这样改进了焊接结果。

即根据本发明的接合辅助元件未用作铆接过程中的铆接元件。铆接过程的特征在于，借助于铆接元件拼合多个构件。相反，在根据本发明的方法中，接合辅助元件仅冲压到优选一个板/构件中并且该接合辅助元件由此不再被视作铆钉。此外，在根据本发明的方法中，接合辅助元件至少一次，优选第二次通过焊接过程而变形。在铆接时，仅进行一次半中空冲压铆钉的变形。

因此，与常见的接合方法不同，接合辅助元件被安置到两个构件之间，即从外部不可见以及被保护不受外部机械负荷。与传统的半中空冲压铆接相反，根据本发明，接合辅助元件优选冲压到唯一的构件中。因此，与现有技术的区别在于，存在用于冲压过程的明显减小的板厚度。在使用商业上常见的半中空冲压铆钉出现了问题，因为其并未设计用作焊接元件，即针对热负荷。此外，商业上常见的半中空冲压铆钉并未设计用于这种具有强烈减小的可用的总板厚度的冲压过程。由此在冲压半中空冲压铆钉时，机械负荷会导致裂缝或不均匀的挤裂和/或极小的剩余底部厚度。

为了避免这个问题，在材料、几何形状、涂层、强度和/或在安置步骤(冲压过程)中所用的模具方面对根据本发明的接合辅助元件进行设计。鉴于接合辅助元件的材料，优选可以使用冷镦-或冷挤压钢。由此通过可能的冷锻过程保证了经济的制造。此外，所述材料可以具有比在商业上常见的半中空铆接元件中所用的铆钉材料明显更小的碳含量。此外，所用的材料必须适合焊接。例如，如下材料适合：17MnB4、19MnB4、20MnB4、27MnB4。借助于这些材料能够改进接合辅助元件的变形特性并且避免元件中的裂缝。鉴于几何形状优选的是，在元件头中的材料强度相对于在元件颈部壁中的材料强度明显增大，由此在元件头中得到了材料增厚部，利用该材料增厚部能充分提供用于形成元件头和第二构件之间的焊点核心的焊接材料。例如，元件头的头侧高度可以制造为尽可能得小，从而能够有针对性地调节第一构件(铝制)和第二构件(钢板)之间的缝隙。接合辅助元件的中心中(也就是说沿着其纵轴)的头高度优选可以在1mm和1.5mm之间，优选1.3mm，以便实现形成焊点核心以及在第二构件(钢元件)中足够的焊点核心深度。在第二构件中在焊接过程中产生的热量由此明显小于在使用商业上常见的半中空冲压铆钉时。此外，在焊接步骤中可以禁止熔融物向第一构件(铝板)中迅速平降。因此把对第一构件的材料的损坏限制在最小程度。

接合辅助元件的头直径优选可以在5mm和8mm之间，优选在5.5mm。需要这种直径，以保证用于在焊接步骤中安置在接合辅助元件上的电极帽的足够大的接触面。此外，可以利用上述头直径控制在焊接电极的角-和横向偏移中的公差。元件颈部的颈部外直径可以在3mm和6mm之间，优选3.3mm。尤其优选可以把头直径与在半中空冲压铆钉中设计类似。根据本发明的接合辅助元件的外轮廓例如对应于半中空冲压铆钉的外轮廓，从而在制造中可以使用相同的设备。也就是说，其不必开发新的运行工具。在此，几何形状也可以根据使用情况或在可能的新的设备技术的情况下发生改变。

在实施方案中，接合辅助元件的元件头的上部构造为平行平面的。作为备选，接合辅助元件的元件头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况下。根据要求的应用情况可设想任意在凸焊中也适用的形式/几何形状，例如球帽形、球形尖形、角形等。因此，电流和进而焊点核心的形成可以有针对性地得到控制或形成。

根据本发明，焊点核心居中地形成在接合辅助元件和第二构件(钢板)的内侧之间。因此，可以减少偏心的材料接合的连接的缺点以及减小差的熔核形成、接合辅助元件的斜放、孔和空腔形成和强度特性的各向异性。上述球帽形材料增厚部的直径可以小于元件头直径且其尺寸仅确定为大到在两个构件之间产生仍允许的缝隙。

颈部外直径优选可以为3mm和6mm之间。在车身中法兰宽度较小时，优选可以选择颈部直径的下极限值，而在较高的连接强度时优选选择上极限值。接合辅助元件的沿着其纵轴的元件长度可以视第一构件(铝板)的板厚度而定在2.0mm和4.0mm之间。由此保证，在冲压接合辅助元件(安置步骤)时产生足够的后切部。

接合辅助元件在其背离元件头的元件根部上具有环形轮廓。该环形轮廓优选可以通过环形环绕的锐角的安置边棱/偏离角形成，该安置边棱在安置步骤中作为切脚起作用。其优选可设计为锐角，以便禁止接合辅助元件的提早地变形。由此尤其可以使用5mm至7.5mm的小的模具直径。

接合辅助元件优选可以由锌制成。层厚度在此应该限制到最小，优选限制到5um的层厚度。即使在接合辅助元件存放时，该涂层尤其起到腐蚀保护的作用。作为锌层的备选，也可以使用锌镍化合物或Almac(铝、锡和锌三重复合涂覆)。补充地，在需要时也可以设想其他涂层，像锌薄片涂层以及其他以及不具有涂层的焊接元件。

接合辅助元件的材料强度应该与应用情况和材料匹配，且示例性地可以优选在950N/mm²和1100N/mm²之间，从而接合辅助元件在安置步骤中可以切入第一构件的铝材料中且同时对铝材料中的变形来说仍充分延展。

对接合辅助元件压入第一构件(优选铝板)来说，使用具有特别小的模具花纹的特殊的平面模具。在此，应该把深度减小到最小，且此外仍存在用于排挤第一构件的足够的空间。通过这种方式可以在安置步骤中最佳地使接合辅助元件变形。模具的该减小的尺寸减小了从外部看到铆接位置的可能性，这又导致了应用领域的扩展。必要时也可以使用不具有花纹的模具(铁砧)。该模具由于其几何形状而影响焊接过程。因此，可能需要把平面模具更换为其他形状，例如球形或芯棒模具。例如，模具花纹的直径可以在4mm和8mm之间，优选5.5mm且深度在0mm和1mm之间，优选0.5mm。

本发明不局限于上述方面。因此也可以设想多板连接，即例如具有多个钢板。备选地，接合辅助元件可以被压装在两个铝板中并随后与一个或多个钢板焊接。补充地，所述元件也可以冲压在强度并不是特别高的钢或铝中且随后焊接在更高强度的钢构件中。

此外还强调，在安置过程之后接合辅助元件优选应该关于铝板具有元件头伸出部，以便类似凸焊改进焊接过程。该头伸出部应该如此选择，使得能产生可复制的焊点核心。对过小的头伸出部来说，在焊接时出现支路，以及对过大的伸出部来说，出现元件的斜置或者增多的焊接飞溅。在此处提出的接合辅助元件中，优选可设定0.3mm-0.5mm的头伸出部。但这可以根据元件几何形状的变化而结果不同。

在焊接过程中可以使用不同的电极帽(形式F、A、C或其他)，优选例如形式F的电极帽，相对于接合部件具有4mm至10mm的支承面。然而也可以设想其他任意的帽以及不同形式的组合。

本发明的上述和/或在从属权利要求中反映的有利的设计和/或改进方案能够—除了例如在明确相关的情况下或者不可结合的备选方案的情况下—能够单个地或也能够任意彼此组合地使用。

附图说明

下面联系附图具体说明本发明和其有利的设计和/或改进方案以及其优点。

附图示出：

图1是构件连接的部分剖视图，

图2是单独示出的接合辅助元件的部分侧视剖视图，

图3是图2的细部视图；

图4以对应于图2的视角示出接合辅助元件的另一个实施例；

图5和6分别示出用于制造图1中示出的构件连接的方法步骤；

图7和8分别示出根据另一个实施例的接合辅助元件，该实施例与图2和4中的实施例相比被强调为最佳实施变型方案。

具体实施方式

在图1中示出制成的构件连接，其中铝制板件1作为第一接合配对件与作为第二接合配对件的钢制板件3连接。两个接合配对件1、3通过接合辅助元件5彼此连接。此外，在两个接合配对件1、3之间设置了粘合层7。上述材料配对纯粹是示例性的。作为备选，也可以设想其他任意材料，例如镁，也可能是塑料。

根据附图，接合辅助元件5设计为具有空心的元件颈部9以及元件头11。在图1中在维持剩余材料厚度r的情况下把元件颈部9在随后说明的安置步骤I中压装在铝制板件(第一接合配对件)1的材料中。相反，接合辅助元件5的元件头11在形成焊点核心13的情况下与第二构件(钢制板件)3焊接。

可以在前置的方法步骤中设想上述安置步骤I。作为备选，也可以在构件变形的冲压机中，在焊接过程之后不久或之前不久。在此作为设备，机器人或固定的安置装置适用于同时安置多个元件。这带来了较高的准确度和较快的周期。

在图2中，单独示出制造状态中的接合辅助元件5。因此，接合辅助元件5示例性地围绕纵轴L旋转对称地形成，其中元件颈部9的壁15限制了在底部侧敞开的、球帽状空腔17，该空腔沿轴向以材料深度t加工在元件颈部9中。元件颈部壁15具有材料厚度m_S，该材料厚度在图2中示例性地仅约为元件头材料厚度m_K的三分之一，该元件头材料厚度沿着纵轴L得出。通过这种方式，元件头11设计为具有额外的材料增厚部21，该材料增厚部提供了用于形成焊点核心13的足够量的焊接材料。该材料增厚部21在此如此确定尺寸，使得在焊接步骤II(图6)之后，在元件头11中在没有结构变化的情况下还保留了足够大的材料厚度Δm(图1)。

在图2中，头直径d_K为5.5mm，而颈部外直径d_S为3.35mm。接合辅助元件5的长度l在图2中为2.8mm，其中头侧高度l_K为约0.3mm。

像图2和3中进一步强调的，接合辅助元件5在其背离元件头11的侧面上具有环形轮廓的元件根部19，该环形轮廓构造为环形环绕的、锐角的安置边棱(Aufsetkante)。安置边棱19在安置步骤I(图5)中用作切脚，利用该切脚在安置步骤I中禁止接合辅助元件5的提前变形且同时控制元件颈部9径向向外挤开了预定的张开距离Δy(图1)。该张开距离Δy(图1)优选大于0.1mm。作为补充，后切部可以大于0.1mm，优选在焊接前为0.3mm，从而在焊接之后在接合部件1、优选铝制接合部件中存在足够的强度。

为此所需的安置边棱(切脚)19的几何形状可由图3看出。因此，安置边棱19从元件颈部-外壁径向向内偏移了径向偏差r，其中径向偏差r为约0.15mm。根据图3，环形轮廓19的高度h为约0.35mm。此处给出的标准仅仅理解为示例性的且不应该局限普遍的发明构思。

在图4中以对应于图2的视角示出另一个接合辅助元件，该接合辅助元件基本上具有和图2中一样的几何形状，元件头11是例外。即在图4中元件头11的上部并未构造为平行平面的，而是以球帽状材料增厚部21(焊接隆起)向外凸出。球帽状材料增厚部21并未延伸直至直接接触元件头11的外边缘，而是通过平行平面地环绕的环形凸肩23与元件头11的外边缘20间隔开。通过这种方式保证了相对于纵轴L在中心形成焊点核心13。

在图5和6中示出安置步骤I和随后的焊接步骤II。因此，接合辅助元件5首先沿接合方向压装在第一构件(铝板)1中，进一步说在维持剩余材料厚度r的情况下。在随后的安置步骤I中，接合辅助元件5的元件头11以头伸出部u从第一构件1的表面伸出，该头伸出部为0.3mm。

随后，为了准备焊接步骤，第二接合配对件3被放在接合辅助元件5的上部上，必要时利用在两个接合配对件1、2之间设置的粘合层7。随后电极25移动到一起，其中接合辅助元件5定向为与两个电极25齐平，且在元件头11和第二接合配对件3之间形成焊点核心13的情况下进行点焊过程。

在图7和8中以对应于图2的视角形成接合辅助元件5，该接合辅助元件与图2和图4的实施例相比可强调为最佳实施变型。

在图7和8中示出的接合辅助元件5基本上具有和图2中示出的接合辅助元件5相同的几何形状。相应地，在图7中同样把元件头11的上部构造为平坦的。

与图2和4的不同在于，在图7和8中，接合辅助元件5的元件根部19不具有环形环绕的、锐角的安置边棱(像在图2至4中那样)，而是具有倒圆的安置边棱。其角尖端S(图8)相对于元件颈部9的外圆周向内偏移了一径向偏差。

在图7和8中，头直径d_K为5.5mm，而颈部外直径d_S为3.35mm。在图7中接合辅助元件5的长度l为2.5mm，其中头侧高度l_K最大为0.3mm。材料厚度m_K(图7)沿着纵轴L为1.3mm。此处给出的标准仅仅应理解为示例性的且不应该局限普遍的发明构思。