Nietschweißverfahren

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nietverschweißen zweier Bauteile.

Um zum Beispiel im Zusammenbau von Kraftfahrzeuginnenverkleidungsteilen eine hohe arbeitstechnische Effizienz zu erzielen, werden heutzutage Kunststoffteile vorzugsweise miteinander vernietet. Entsprechende Nietverfahren haben dabei gemeinsam, dass zwei miteinander zu vernietende Bauteile lediglich durch einen Nietkopf, welcher zum Beispiel mittels einer Ultraschallsonotrode erzeugt wurde, anein- ander gepresst wurden. Dies hat den Nachteil, dass zum Beispiel aufgrund von Temperaturschwankungen und auftretenden Verwindungen die beiden miteinander vernieteten Teile dennoch einen gewissen Bewegungsspielraum gegeneinander haben, was insbesondere zu unangenehmen Reibegeräuschen, Vibrationen sowie Undichtigkeitsstellen gegenüber Gasen und Flüssigkeiten führen kann.

Beispielsweise offenbart die DE 101 24 920 A1 ein Stands-Niet-Verfahren, wobei mit Hilfe von Ultraschall das zu fügende Teil mit dem Verbindungselement stoffschlüssig verbunden wird.

Die DE 199 24 623 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern und Regeln von Prozessparametern bei einer Ultraschall-Schweißeinrichtung, wobei der aufgeschmolzene Werkstoff beim Ultraschall-Nieten eine stoffschlüssige Verbindung mit dem verschweißenden Material eingeht.

Die DE 202 066 83 beschreibt eine Bauteilverbindung zum Verbinden eines Funktionselements einer Kraftfahrzeugtür mit einem Bestandteil einer Trennwand der Kraftfahrzeugtür unter Verwendung eines Nietschaftes, wobei der Nietschaft durch Erwärmen einen Nietkopf bildet.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Nietverschweißen zweier Bauteile zu schaffen.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Nietverschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil geschaffen, wobei das erste Bauteil einen Nietdom auf- weist, das zweite Bauteil eine öffnung zur Aufnahme des Nietdoms aufweist, und das zweite Bauteil auf der dem ersten Bauteil abgewandten Seite zumindest eine Schweißrippe aufweist, wobei die Schweißrippe an der öffnung des zweiten Bauteils angeordnet ist. Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Einsetzens des Nietdoms des ersten Bauteils in die öffnung des zweiten Bauteils, wobei der Niet- dorn von der der Schweißrippe abgewandten Seite des zweiten Bauteils aus eingesetzt wird. In einem weiteren Schritt erfolgt das Aufbringen einer Sonotrode auf dem Nietdom und das Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Nietdom und der Schweißrippe durch gemeinsames Verschweißen mittels der Sonotrode.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, dass das erste und das zweite Bauteil so miteinander verbunden werden, dass eine Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander nicht mehr möglich ist. Durch die Verwendung der Schweißrippe ist dabei gewährleistet, dass in definierter Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil erreicht wird, sodass dadurch bei der Herstellung des gemeinsam durch Schweißrippen und Nietdom gebildeten Nietkopfes die mechanische Integrität des zweiten Bauteils nicht beeinträchtigt wird. Würde die Schweißrippe hier fehlen, könnte dies zu einer Materialschwächung des zweiten Bauteils im Bereich des ausgebildeten Nietkopfes führen, was unter Belas- tung zu einem Ausbrechen des Nietdoms im Bereich der Nietverschweißung führen könnte.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung überragt der Nietdom nach Einsetzen in die öffnung des zweiten Bauteils die Schweißrippe in Erstreckungsrichtung des

Nietdoms. Damit ist gewährleistet, dass ausreichend Material des Nietdoms zur Verfügung steht und damit eine großflächige Verschweißung des Nietdoms mit den Schweißrippen möglich ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden nach dem Verschweißen das Material des Nietdoms und der Schweißrippen eine homogene miteinander verschweißte Masse.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das erste Bauteil ein Widerlager auf, wobei das Widerlager zur Auflage des zweiten Bauteils vorgesehen ist, wobei beim Nietverschweißen das erste und das zweite Bauteil aufeinander aufge- presst werden. Die Verwendung eines Widerlagers hat den Vorteil, dass eine Relativbewegung des ersten und zweiten Bauteils in die Erstreckungsrichtung des Nietdoms ausgeschlossen ist, da durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Nietdom und der Schweißrippe und dem zusätzlichen Aufpressen des zweiten Bauteils auf das Widerlager ein solcher Freiheitsgrad nicht mehr zur Verfügung steht. Dies erhöht weiter die Gesamtstabilität der miteinander verschweißten Bauteile.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgibt die Schweißrippe nach Einsetzen des Nietdoms in die öffnung des zweiten Bauteils den Nietdom vollständig. Dies hat den Vorteil, dass eine hochstabile Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil gewährleistet ist, welche keinerlei Schwachstellen bezüglich einer Krafteinwirkung in radialer Richtung zum Nietdom aufweist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Nietdom stiftförmig oder quaderförmig. Ebenso ist es möglich, dass der Nietdom als Vollmaterial oder Hohlmaterial ausgeführt sein kann. Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Kanten des Nietdomendes eine Abschrägung auf. Alternativ dazu ist das Ende des Nietdoms abgerundet. Außerdem weist vorzugsweise die Sonotrode eine konkave Form auf, wobei die Abrundung des Nietdomendes bzw. die Abschrägung zur formschlüssigen Aufnahme durch die Sonotrode ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass nach Aufsetzen der Sonotrode aufgrund des großflächigen Kontaktes zwischen Sonotrode und Nietdom aufgrund dessen abgeschrägten Kanten in sehr schneller weise eine Abschmelzung des Nietdomes erfolgen kann.

Selbiges gilt auch für die Schweißrippe, deren waagrechten Kanten ebenfalls vorzugsweise eine Abschrägung aufweisen. In dem Augenblick, wenn die Sonotrode mit der Schweißrippe in Berührung kommt, ist aufgrund der abgeschrägten Kanten eine großflächige Kontaktierung zwischen Sonotrode und Schweißrippe möglich. Dadurch erhöht sich auch hier der Anschmelzvorgang. Es sei ferner noch darauf hingewiesen, dass die Endung des Nietdoms im Falle einer Abrundung vorzugsweise so ausgestaltet ist, dass die Abrundung des Nietdoms eine gleiche oder stärkere Krümmung aufweist als die konkave Form der Sonotrode. Damit ist ein optimaler Flächenkontakt zwischen der Sonotrode und dem Nietdom-Ende gewährleistet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung überdeckt die Sonotrode die Schweißrippe und den Nietdom. Damit erfolgt in gleichmäßiger Weise ein Abschmelzen von Schweißrippe und Nietdom, womit ein homogenes Verschweißen der beiden Bauteile möglich ist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der Nietdom durch die Sonotrode zeitlich vor der Schweißrippe angeschmolzen. Wenn außerdem, wie oben erwähnt, die Menge des Materials, welches aus dem angeschmolzenen Nietdom resultiert, gleich oder größer der Materialmenge ist, welche aus der angeschmolzenen Schweißrippe resultiert, so bildet das angeschmolzene Material des Nietdoms eine flüssige Masse, welche die Schweißrippe während dem Schweißvorgang überdeckt. Beim anschließenden Anschmelzen der Schweißrippe vermischen dadurch in homogener Weise das Schmelzmaterial des Nietdoms und das Schmelzmaterial der Schweißrippe, womit in optimaler Weise nach Abkühlung eine Verschweißung der beiden Bauteile gewährleistet ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Nietdom und die Schweißrippe aus demselben Kunststoffmaterial ausgebildet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem ersten und zweiten Bauteil um Spritzgussteile. Dabei handelt es sich beispielsweise bei dem ersten und zweiten Bauteil um Teile einer Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs.

Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b: eine schematische Ansicht zweier mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Nietverschweißen zu verbindender Bauteile;

Fig. 2: eine weitere schematische Ansicht zweier mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Nietverschweißen zu verbindender Bauteile;

Fig. 3: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Nietverschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil.

Im Folgenden sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Figur 1a zeigt eine schematische Ansicht zweier zu verbindender Bauteile, nämlich dem Bauteil 100 und dem Bauteil 102. Das Bauteil 100 weist einen Nietdom 106 auf, und das zweite Bauteil 102 weist eine öffnung 104 zur Aufnahme des Nietdoms 106 auf. Außerdem weist das zweite Bauteil 102 auf der dem ersten Bauteil 100 abgewandten Seite zwei Schweißrippen 108 auf, wobei die beiden Schweißrippen 108 an der öffnung 104 des zweiten Bauteils 102 angeordnet sind.

Ferner weist das erste Bauteil 100 ein Widerlager 118 auf, wobei das Widerlager 118 zur Auflage des zweiten Bauteils 102 vorgesehen ist.

Beim erfindungsgemäßen Nietschweißvorgang wird nun das zweite Bauteil 102 auf das Widerlager 118 des ersten Bauteils 100 gepresst. Alternativ dazu, wenn ein sol- ches Widerlager 118 nicht vorhanden ist, werden das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 getrennt voneinander gehaltert, sodass das zweite Bauteil 102 nicht auf das erste Bauteil 100 aufgepresst wird oder umgekehrt. Damit können auch zwei Bauteile, die nicht direkt miteinander zentriert oder positioniert sind, fest miteinander verbunden werden.

Im nun entscheidenden Schritt wird eine Sonotrode 114 in die Richtung 110 von oben auf den Schweißdom 106 aufgepresst. Durch Relativbewegungen der Sonotrode 114 bezüglich des Schweißdoms 106 im Ultraschallbereich zum Beispiel in Richtung 112 fängt der Schweißdom 106 an zu schmelzen. Aufgrund dessen, dass wie in der Ausführungsform der Figur 1a gezeigt, die Sonotrode 114 sowohl die Schweißrippen 108 als auch den Nietdom räumlich überdeckt, wird nach Abschmelzen des Nietdoms 106 die Sonotrode 114 auch in Kontakt mit den Schweißrippen 108 kommen, welche daraufhin ebenfalls zu schmelzen beginnen. Dies hat zur FoI- ge, dass nun die Schmelze, welche vom Nietdom 106 resultiert, und die Schmelze, welche von den Schweißrippen 108 resultiert, ineinander verlaufen, wodurch sich nach Entfernen der Sonotrode 114 und Abkühlen der Schmelze eine homogene Masse in Form eines Nietkopfes bildet, welcher einstückig das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 im öffnungsbereich 104 auf der dem ersten Bauteil abge- wandten Seite des zweiten Bauteils miteinander verbindet.

Dies ist schematisch in der Figur 1b dargestellt, welche die miteinander zu verschweißenden Bauteile der Figur 1a nach dem Nietverschweißungsprozess zeigt. Deutlich sichtbar ist hierbei die pilzartige Verschmelzung des ursprünglich vorhan- denen Nietdoms 106 und der Schweißrippen 108, wodurch in den Bereichen 120, dem ehemaligen Bereich der Schweißrippen 108, eine einstückige Materialverbindung zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 geschaffen wurde. Im Gegensatz dazu liegt im Bereich 118 lediglich ein loser Kontakt zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 vor, da in diesem Bereich 118 lediglich das erste und zweite Bauteil aneinander gepresst werden.

Die Figur 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht zweier zu verbindender Bauteile. Hierbei sind wieder beispielhaft die Schweißrippen 108 gezeigt, welche links und rechts jeweils den Nietdom 106 umgeben. Vorzugsweise umgeben jedoch die Schweißrippen 108 den Nietdom 106 vollständig, sodass nach einem Verschwei- ßungsvorgang in radialer Richtung zum Nietdom 106 eine vollständige Verschweißung des Nietdoms und der Schweißrippen vorliegt. Damit wird eine Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit erzielt, sodass die öffnung 104 vollständig durch den sich bildenden Nietkopf verschlossen wird. Damit kann auf zusätzliche Dichtelemente verzieh-

tet werden. Entscheidend in der Ausführungsform der Figur 2 ist nun, dass eine Abrundung bzw. Abschrägung der Kanten des Nietdomendes gegeben ist. Beispielhaft ist in der Figur 2 lediglich eine Abschrägung 200 des Nietdomendes gezeigt, jedoch sind vorzugsweise alle Kanten 202 und 206 der Schweißrippen 108 und alle Kan- ten 204 des Nietdoms 106 mit solchen Abschrägungen oder Abrundungen versehen. Dadurch ist gewährleistet, dass, wie bereits oben beschrieben, eine optimale Kontaktwirkung zwischen der Sonotrodenfläche, dem Nietdom und den Schweißrippen, gegeben ist.

Die Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nietverschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil. In Schritt 300 erfolgt das Bereitstellen des ersten und zweiten Bauteils. Dabei weist das erste Bauteil einen Nietdom auf und das zweite Bauteil weist eine öffnung zur Aufnahme des Nietdoms auf. Außerdem weist das zweite Bauteil auf der am ersten Bauteil abgewand- ten Seite zumindest eine Schweißrippe auf, wobei die Schweißrippe an der öffnung des zweiten Bauteils angeordnet ist. Nun erfolgt in Schritt 302 das Einsetzen des Nietdoms des ersten Bauteils in die öffnung des zweiten Bauteils, wobei der Nietdom von der der Schweißrippe abgewandten Seite des zweiten Bauteils aus eingesetzt wird. In Schritt 304 erfolgt das Aufbringen der Sonotrode auf den Nietdom, wodurch in Schritt 306 durch einen Ultraschallschweißvorgang eine Abschmelzung des Nietdoms resultiert. Da vorzugsweise der Nietdom die Schweißrippe in Erstre- ckungsrichtung des Nietdoms überragt, findet zuerst ein Anschmelzen des Nietdoms statt. Nachdem der Nietdom soweit abgeschmolzen ist, dass die Sonotrode nun auch die Schweißrippe berührt, findet ein weiteres Anschmelzen der Schweiß- rippe statt, was schließlich in einem gemeinsamen Verschweißen von Nietdom und Schweißrippe resultiert. Durch das verschweißte Material werden das erste und zweite Bauteil einstückig miteinander verbunden, wobei diese Verbindung die Form eines Nietkopfes aufweist.

Bezugszeichen l iste

100 erstes Bauteil

102 zweites Bauteil

104 öffnung

106 Nietdom

10 108 Schweißrippe

110 Richtung

112 Richtung

114 Sonotrode

116 konkave Form

15 118 Widerlager

120 Verschmelzungsbereich

200 Abschrägung

202 Kante

20 204 Kante

206 Kante