用于摩擦焊接的紧固元件以及用将紧固元件摩擦焊接到平面工件上的方法与流程

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于摩擦焊接到平面工件上的紧固元件，并且涉及一种将紧固元件摩擦焊接到平面工件上的方法。

背景技术：

de19642331a1描述了一种摩擦焊接方法，通过该方法在锚定螺栓和锚定导轨之间建立了焊接连接。对于这种摩擦焊接工艺，锚定螺栓在其一端部侧面具有同心的圆形环。通过该圆形环，将锚定螺栓固定在锚定导轨的表面上，并以接触力压在该表面上。旋转装置使锚定螺栓旋转，由此产生的摩擦热引起圆形环和/或锚定导轨表面的至少部分熔化。随后的冷却过程以及相关的熔体凝固在锚定螺栓和锚定导轨之间建立了摩擦焊接连接。

de102004034496a1公开了一种设计为摩擦焊接螺母的紧固元件，该紧固元件通过摩擦焊接工艺焊接到平面钣金零件上。摩擦焊接螺母包括具有螺纹孔的螺母主体和设计为摩擦焊接面的端面。为了建立摩擦焊接连接，将摩擦焊接面压在钣金零件的表面上，然后旋转摩擦焊接螺母。该摩擦焊接螺母使得可以在钣金零件上提供用于附接另一部件的单侧螺纹连接。

us2004/0247380a1公开了一种设计为压紧螺母的紧固元件，该压紧螺母被压入平面钣金零件中。该压紧螺母包括具有螺纹孔的螺母头和与螺母头邻接的锥形轴元件。为了将压紧螺母压入钣金零件中，将压紧螺母定位在钣金零件的表面上，并且将用于压紧螺母的砧座定位在钣金零件的相对侧。当压紧螺母和砧座被压在一起时，轴元件被压入钣金零件中，并且通孔被冲入钣金零件中。带有凹口外轮廓的轴元件的圆锥形构造意味着压紧螺母被保持在冲压孔中，从而使其无法旋转。冲压孔允许从两侧进入压入到钣金零件中的压紧螺母，但是这种压紧连接的抗拉强度低于摩擦焊接的抗拉强度。此外，压制过程需要额外的砧座。

鉴于所描述的现有技术，在待附接到工件的紧固元件的领域中存在改进的空间。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于摩擦焊接工艺的紧固元件以及一种用于摩擦焊接紧固元件的方法，该紧固元件允许简单地附接到工件。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的紧固元件以及通过根据权利要求10的用于将紧固元件摩擦焊接到工件上的方法来实现。在相应的从属权利要求中公开了本发明的其他特别有利的改进方案。

要指出的是，在以下描述中单独指定的特征和措施可以以任何期望的技术上有意义的方式彼此组合，并且公开了本发明的其他构造。该说明书，特别是结合附图，进一步表征和说明了本发明。

根据本发明的用于摩擦焊接到平面工件上的紧固元件包括螺母头以及设置在螺母头的一端部侧面上的摩擦焊接面，该螺母头具有至少局部地在螺母头内延伸的通孔，其中，在螺母头的具有摩擦焊接面的端部侧面设有用于将钻孔引入工件的切割装置。具有这种切割装置的紧固元件使得在仅一个处理步骤中既可以将钻孔引入到工件中，也可以通过摩擦焊接工艺将紧固元件永久地连接到工件上。该工件尤其可以是薄壁的钣金零件，例如车身的钣金零件。因为在车辆结构中在钣金零件上提供了多种紧固可能性，所以根据本发明的紧固元件可以减少处理步骤，并且因此减少的制造工作量使得可以大大减少了生产时间和生产成本。将钻孔引入到工件中还使得紧固元件可从工件的两侧进入。

紧固元件的一种优选的改进方案提出，切割装置从螺母头的设计为摩擦焊接面的端部侧面延伸至螺母头的纵向中心轴线并且具有至少一个切割元件。这种以端面突出的切割装置可以首先将钻孔插入工件中，然后使紧固元件的摩擦焊接面紧贴工件表面，从而形成摩擦焊接连接。只要切割装置定向在螺母头的纵向中心轴线上，钻孔就可以与螺母头中的通孔同心地形成。

在紧固元件的一种有利的改进方案中提出，将切割装置设计为具有与螺母头相对的自由端部部分的切割轴，其中，至少一个切割元件设置在切割轴的端部部分上。这种切割轴使得也可以钻通厚度基本上对应于切割轴的长度或稍薄的工件或钣金件。

特别优选地可以提出，所述切割装置(尤其是所述切割轴)设计为中空圆柱体的形式并且与所述螺母头的纵向中心轴线同心地布置。切割轴的这种构造和布置使得可以进行圆形的旋转切割运动，以便将钻孔引入到工件中。

在一种有利的改进方案中可以提出，中空的圆柱体切割轴具有(与螺母头相对地)环形或扇形的端部边缘，其中多个切割元件至少局部地设置在端部边缘上。因此，形成的是某种孔锯、空心钻或顶钻，通过它们可以将基本上对应于切割轴的直径的钻孔引入到工件中。

有利地，可以提出至少一个切割元件构造成锯齿或切割段的形式。切割元件的这种构造使得可以实现良好的切割性能和平滑的切割边缘。锯齿或切割段可另外经受热处理过程，特别是硬化。这种切割元件可以安全快速地钻穿钣金零件以及由合成材料、复合材料或纤维增强复合材料制成的部件。

在紧固元件的一种改进方案中可以提出，设置在螺母头的端部侧面上的摩擦焊接面构造为圆环并且特别是同心地包围切割装置。摩擦焊接面呈圆环形状的构造使得可以在紧固元件和工件之间形成完全围绕钻孔的焊接。因此，一方面可以在紧固元件与工件之间建立持久的焊接连接，另一方面可以防止湿气通过焊接连接进入。

优选地，紧固元件的螺母头和切割装置一体地设计。这允许例如通过变形过程简单且成本有效地制造紧固元件。

在紧固元件的一种改进方案中提出，通孔至少局部地并且特别是连续地延伸穿过螺母头和切割轴，并且通孔至少局部地具有内螺纹。这使得可以从工件的两侧接近焊接到工件上的紧固元件，以便将螺钉拧入螺纹孔中。

该目的还通过一种用于将紧固元件(特别是根据上述实施例之一的紧固元件)摩擦焊接到平面工件上的方法来实现，其中，紧固元件被工具容纳并且绕紧固元件的纵向中心轴线旋转，紧固元件的切割装置被用力设置在工件的表面上，该切割装置将钻孔引入到工件中，设置在紧固元件上的摩擦焊接面紧贴在工件表面上，并且紧固元件的旋转在紧固元件的摩擦焊接面和工件之间建立了摩擦焊接连接。该方法可以减少在紧固元件与工件之间建立摩擦焊接连接所需的处理步骤。这可以通过以下事实实现：在一个处理步骤中，通过切割装置将钻孔引入工件中，然后立即通过摩擦焊接工艺将紧固元件焊接到工件上。

附图说明

在从属权利要求和附图的以下描述中公开了本发明的其他有利实施例。

在图中：

图1示出了根据本发明的紧固元件的示意性截面图；

图2示出了根据图1的紧固元件的螺母头的示意性平面图；

图3示出了根据图1的紧固元件在摩擦焊接工艺的第一过程步骤中的截面图；

图4示出了根据图1的紧固元件在摩擦焊接工艺的第二过程步骤中的截面图；以及

图5示出了根据图1的紧固元件在摩擦焊接工艺的第三过程步骤中的截面图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部分总是配备有相同的附图标记，因此，所述部分通常也仅描述一次。

图1示出了根据本发明的紧固元件1的示意性截面图。图2示出了根据图1的紧固元件1的平面图。这种紧固元件1也可以称为摩擦焊接螺母。如图3至图5所示，该紧固元件1或该摩擦焊接螺母可以通过摩擦焊接工艺焊接到工件2上。

在摩擦焊接工艺中，紧固元件1被压在工件2上并旋转。所产生的摩擦热至少在接触面的区域中导致紧固元件1和/或工件2熔化，从而在旋转移动结束并且随后冷却和固化两个部件的熔化物之后，建立焊接连接。

焊接的紧固元件1提供了将其他部件紧固到工件2上的可能性，这些其他部件例如通过与紧固元件的螺纹连接而拧紧到工件2上。特别是在薄壁钣金零件的情况下这是必需的，因为此类零件的壁厚较小，因此无法引入螺纹孔。

紧固元件1具有螺母头3和切割装置4。螺母头3的外轮廓具有键面，并且特别地设计为六角形螺母，如根据图2的平面图所示。螺母头3可以是任何大小或具有任何键宽度。同样，螺母头3的外轮廓可以设计为方形螺母或任何其他已知的螺母形状，或者同样可以具有圆柱体的外轮廓。

螺母头3具有沿紧固元件1的纵向中心轴线6延伸的通孔5。通孔5具有内螺纹7，从而可以将螺钉拧入通孔5中。内螺纹7可以部分地或完全地沿着通孔5设置。特别地，内螺纹7在螺母头3的区域中形成在通孔5中。

切割装置4设置在螺母头3的端部侧面8上。在该端部侧面8上形成有摩擦焊接面9。该摩擦焊接面9用于在紧固元件1和工件2之间建立摩擦焊接连接。摩擦焊接面9既可以直接由螺母头3的端部侧面8形成，也可以将形成摩擦焊接面9的焊接部件10设置在端部侧面8上。焊接部件10可以例如以焊接环或圆形环的形式布置在端部侧面8上。提供焊接部件10使得可以将不同的材料用于螺母头3和摩擦焊接面9。摩擦焊接面9在端部侧面8上设计为圆环或扇形的形式，并且围绕切割装置4。

设置在螺母头3的端部侧面8上的切割装置4设计成圆柱体的切割轴11。该切割轴11从螺母头3沿着纵向中心轴线6延伸，并且在螺母头3的相对端具有自由端部部分12。在切割轴11的端部部分12处布置有多个切割元件13。特别地，切割轴11的侧面具有光滑的表面。紧固元件1或至少切割轴11还可以设置有涂层，例如用于腐蚀防护的涂层。

如图1所示，切割轴11设计为中空圆柱体。因此，通孔5优选地连续地延伸穿过螺母头3和中空的圆柱体切割轴11。特别地，中空的圆柱体切割轴11的内径与螺母头3中的通孔5的内径相对应。在这种情况下，中空的圆柱体切割轴11的外径被设计成小于螺母头3的直径或键宽度。

在中空的圆柱体切割轴11的端部部分12上形成有端部边缘14。在该端部边缘14上成形或形成有切割元件13。切割元件13沿着端部边缘14以环形或扇形的形式布置，并且优选地被设计成锯齿的形状。可替代地，切割元件13可以被设计为切割段并且在端部边缘14上彼此隔开一定距离地设置。

通过这种构造，中空的圆柱体切割轴11形成了孔锯、岩心钻或顶钻。这产生了自切割的紧固元件1或自切割的摩擦焊接螺母。该自切割的紧固元件1使得可以在一个处理步骤中将钻孔15引入到工件2中并且将紧固元件1摩擦焊接到工件2。

在图3至图5中示出了利用紧固元件1的组合钻孔和摩擦焊接工艺的处理步骤。紧固元件1由工具16容纳并且通过其上设置的端部边缘14和切割元件13抵靠在工件2的表面17上，如图3中示意性地示出的。工具16可以是马达驱动的旋转装置。

工具16将围绕纵向中心轴线6的旋转移动r施加到紧固元件1，并且以朝向工件2的力f将紧固元件1压在表面17上。由于紧固元件1的旋转移动r，设置在端部边缘14上的切割元件13执行旋转切割运动，由此将钻孔15引入到工件2中。

一旦将钻孔15引入到工件2中，力f就使紧固元件1在工件2的方向上进一步移动，直到端部侧面8的摩擦焊接面9贴靠在工件2的表面17上，并且形成接触面。如图4所示。

由于紧固元件1的旋转移动r和由此产生的摩擦热，摩擦焊接面9或焊接部件10和/或工件2的表面17在接触面的区域中熔化。在旋转移动r结束并且随后摩擦焊接面9或焊接部件10和/或工件2的熔体的冷却和凝固之后，在紧固元件1和工件2之间建立牢固的摩擦焊接连接18。

附图标记列表：

1.紧固元件

2.工件

3.螺母头

4.切割装置

5.通孔

6.纵向中心轴线

7.内螺纹

8.端部侧面

9.摩擦焊接面

10.焊接部件

11.切割轴

12.端部部分

13.切割元件

14.端部边缘

15.钻孔

16.工具

17.工件表面

18.摩擦焊接连接