1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bauteilschwächung in mindestens einem Flächensektor eines Bauteils zur Vorbereitung eines Fügeverfahrens, ein Verbindungsverfahren für mindestens ein erstes und ein zweites Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung, währenddessen das erste Bauteil vor dem Verbinden geschwächt worden ist, sowie eine Fügeverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung, wobei die Fügeverbindung durch einen geschwächten Flächensektor der Decklage hergestellt worden ist.

2. Hintergrund der Erfindung

Im Fahrzeugbau genauso wie in anderen Industriezweigen ist es mehr und mehr erforderlich, hoch- und höchstfeste Stähle mit Aluminiumwerkstoffen oder anderen Metallen oder Metalllegierungen zu verbinden. Das Stanznieten stellt in diesem Zusammenhang ein geeignetes Fügeverfahren bzw. Verbindungsverfahren für derartige Bauteile dar. In Abhängigkeit von der Werkstofffestigkeit der Fügepartner wird dabei zwischen unterschiedlichen Nietgeometrien un- terschieden.

Im Fahrzeugbau, im speziellen im automobilen Leichtbau, wird in nur einem Fahrzeug eine Vielzahl an unterschiedlichen Fügeverbindungen hergestellt. Da diese unterschiedlichen Fügeverbin- dungen Bauteile mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften miteinander verbinden, werden auch unterschiedliche Nietgeometrien zur Herstellung dieser verschiedenen Verbindungen verwendet. Entsprechend ist auch der maschinelle Aufwand für die Zufuhr unterschiedlicher Niettypen, das Setzen dieser unterschiedlichen Niettypen sowie die Überwachung des jeweiligen Fügevorgangs in den unterschiedlichen Stadien einer Produktionslinie aufwendig und damit kostenintensiv. Daraus entsteht allgemein der Bedarf, die Komplexität und somit die Kosten in der jeweiligen Produktionslinie aufgrund der verschiedenen Stanzniete oder allgemein der Vielzahl an Verbindungsei erneuten und den dazugehörigen Matrizen zu reduzieren. Eine Reduktion dieser Kosten könnte dadurch erfolgen, dass zur Herstellung der unterschiedlichen Fügeverbindungen eine geringere Anzahl unterschiedlicher Niettypen verwendet wird. Dem widerspricht aber die Erkenntnis, dass der Einsatzbereich gleicher Niettypen und Matrizen in einem Fahrzeugprojekt oder einer Produktionslinie aufgrund der verschiedenen verwendeten Werkstofffestigkeiten und Werkstoffkombinationen sowie Werkstoff- bzw. Bauteildicken begrenzt ist.

Daraus folgt, dass die Forderungen nach einer Verwendung hoch- und höchstfester Stähle und der Verringerung der Anzahl verwendeter Niettypen und Matrizenvarianten im Widerspruch zu einander stehen. Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem trotz vorhandener Werkstoffvi elfalt die Zahl der verwendeten unterschiedlichen Fügeelemente reduziert werden kann.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bauteilschwächung in mindestens einem Flächensektor eines Bauteils zur Vorbereitung eines Fügeverfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , durch ein Verbindungs verfahren für mindestens ein erstes und ein zweites Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung unter Verwendung des obigen Verfahrens zur Bauteilschwächung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7, von einem weiteren Verbindungs- Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 sowie durch eine Fügeverbindung aus mindestens einem ersten und einem zweiten Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen vorliegender Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeich nungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bauteilschwächung in mindestens einem Flächensektor F eines Bauteils zur Vorbereitung eines Fügeverfahrens, wobei das Bauteil in dem mindestens einen Flächensektor F eine Bauteildicke aufweist, umfasst die folgenden Schritte: materialabtragendes Schwächen des Bauteils in dem mindestens einen Flächensektor F, sodass das

Bauteilmaterial in dem mindestens einen Flächensektor F einen geringeren Widerstand gegen mechanische Verformung als außerhalb des Flächensektors F aufweist, wobei der Flächensektor eine Größe im Bereich von 0 < F < 400 mm ² , vorzugsweise 0 < F < 300 mm ² und weiter bevorzugt von 0 < F < 200 mm ² , aufweist. Beispielgebend bezugnehmend auf den automobilen Leichtbau weist ein Stapel aus mehreren Bauteilen eine Decklage auf. Diese Decklage besteht häufig aus einem hochfesten oder höherfesten Stahl. Um einen Bauteilstapel mit einer derartigen Decklage auch mit einem Fügeteil geringerer Stabilität im Vergleich zu generell verwendeten Fügeteilen in hochfesten Stählen nutzen zu können, wird gemäß vorliegender Erfindung in einem Flächensektor einer späteren Fügeverbindung das Material der Decklage geschwächt. In gleicher Weise sieht vorliegende Erfindung vor, nur mindestens ein Bauteil unterhalb der Decklage in einer späteren Fügezone, also dem Flächensektor F, zu schwächen. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine Fügeverbindung zwischen mehreren jeweils in einem Flächensektor geschwächten Bauteilen herzustellen. Wird dann im Rahmen eines Fügeverfahrens das Fügeelement, beispielsweise ein Stanzniet, in dieses Flächensegment oder diese vorzugsweise hintereinander angeordneten Flächensegmente gesetzt, dann ist auch ein Niet geringerer Stabilität ausreichend, um die Decklage zur Herstellung einer Fügeverbindung zu durchdringen oder zu verformen oder die Verbindung in dem Bauteilstapel zu erzeugen. Somit fuhrt das Schwächen des/der Bauteils/Bauteile in dem Flächensektor dazu, dass die mechani- sehen Eigenschaften des Bauteils in diesem Flächensektor, im Speziellen der Widerstand des Bauteilmaterials gegen mechanische Verformung, verringert wird. In Abhängigkeit von der Art der herzustellenden Fügeverbindung weist der Flächensektor eine unterschiedliche Größe auf. Dieser Flächensektor sollte aber einen Bereich von 0 < F < 400 mm ² nicht überschreiten, da an dernfalls die Schwächung des Bauteilmaterials zu einer Gesamtschwächung des Bauteils außer- halb des Flächensektors fuhren könnte.

Anhand der oben genannten Schritte ist erkennbar, dass in dem Flächensektor, in dem später die Fügeverbindung hergestellt werden soll, die Stärke der Decklage gezielt reduziert wird. Für eine derartige Dicken- bzw. Stärkenreduktion stehen unterschiedliche Verfahren zur Materialbearbei- tung zur Verfügung. Diese Verfahren umfassen mechanische und/oder chemische Verfahren, die von der Oberfläche der Decklage in dem Flächensektor Material abtragen. So ist es beispielsweise bevorzugt, den Flächensektor durch Schleifen in seiner Stärke zu verringern, um nur ein Beispiel zu nennen. Ein Materialabtrag erfolgt aber ebenfalls auch mit chemischen Mitteln oder durch gezielten Energieeintrag in diesem Flächenbereich, wie unten näher erläutert ist.

Weiterhin bevorzugt wird der Materialabtrag gemäß vorliegender Erfindung mittels Zuführen von Energie durch einen Laser, mittels Erodieren, durch einen mechanischen Materialabtrag, wie Schleifen, Trennen, Bohren und/oder Schlitzen des Bauteilmaterials, durch Einwirken mittels Plasma und/oder durch chemischen Material ab trag, vorzugsweise Ätzen oder Auflösen, reali siert.

Das bevorzugte Abtragen von Material mithilfe eines Lasers ist beispielsweise vom Verfahren des Laserschneidens bekannt. Auch gibt es eine verbreitete Anwendung des Erodierens zur Her stellung von beispielsweise Werkzeugklingen oder Werkzeugteilen mit einer komplexen Geometrie. Im Rahmen des genannten mechanischen Materialabtrags sind zudem nicht nur flächig wirkende Verfahren umfasst. Denn vorzugsweise erfolgt die Schwächung des Bauteils im ge nannten Flächensektor auch dadurch, wenn nur Teilbereiche dieses Flächensektors beispiels- weise in ihrer Materialstärke reduziert werden. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, in dem mindestens einen Flächensektor regelmäßig angeordnete Bohrungen und/oder Schlitze und/oder Durchbrüche anzuordnen, die insgesamt zu einer Schwächung des Bauteils in diesem Flächensektor beitragen. In diesem Zusammenhang ist es außerdem bevorzugt, einen mechanischen Materialabtrag mit einem der anderen Schwächungsverfahren zu kombinieren. So wird

beispielsweise ein zu schwächender Flächensektor durch mechanischen Materialabtrag vorbereitet, während eine weitere Bearbeitung durch ein Erodierverfahren, ein Ätzverfahren oder einen Abtrag mittels Laserenergie erfolgt. In ähnlicher Weise ist es ebenfalls bevorzugt, den Flächensektor zunächst durch die Einwirkung chemischer Mittel zu schwächen, beispielsweise durch ein Ätzverfahren oder durch ein chemisches Auflösen des Materials des Bauteils in diesem Flächen- sektor. Nachfolgend erfolgt dann vorzugsweise ein weiteres mechanisches Schwächen oder ein ergänzendes Schwächen mit einem der anderen bereits genannten Verfahren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung wird eine Bauteil dicke in dem mindestens einen Flächensektor flächig und/oder in Teilbereichen des Flächensek- tors reduziert. Dies wurde bereits oben im Zusammenhang mit den unterschiedlichen

Möglichkeiten des Materialabtrags diskutiert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert die Bauteildicke in Teilbereichen des Flächensektors durch mindestens eine Bohrung, einen Einstich, ei- nen Einschnitt und/oder durch eine geometrische Anordnung einer Mehrzahl von diesen in Richtung der Bauteildicke, wie es ebenfalls oben bereits angesprochen worden ist. Es ist des Weiteren bevorzugt, Profile, Vertiefungen unregelmäßiger oder regelmäßiger Verlaufsrichtung oder Ausschnitte vorzusehen. Diese schwächen das Bauteil im Flächensektor F. Zudem lassen sie sich bevorzugt in einer Vielzahl von Mustern, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Wieder holungen im Flächensektor F anordnen.

Im Rahmen vorliegender Erfindung ist es zudem bevorzugt, das Verfahren zur Bauteilschwä- chung als separates Vorbereitungsverfahren, als ein Teilverfahren bei einer Bauteilherstellung oder als ein Teilverfahren eines Verbindungsverfahrens von mindestens zwei Bauteilen durchzu- führen. So ist es im Rahmen der Bauteilherstellung bevorzugt, das obige Verfahren zur Bauteilschwächung zu integrieren. In gleicher Weise ist es denkbar, als eine letzte Phase eines

Herstellungsverfahrens Bearbeitungsschritte vorzusehen, die mechanisch, chemisch, durch Ener- gieeintrag oder auf andere Weise zukünftige Verbindungsstellen und die diese umgebenden Flä chensektoren schwächen. Analog dazu ist es bevorzugt, das Verfahren zur Bauteilschwächung einem stattfindenden V erbindungs verfahren direkt vorzulagem. Vorzugsweise werden dann in den Flächensektoren der späteren V erbindungssteilen bzw. angrenzend an die späteren Verbin- dungsstellen schwächende Materialmuster eingearbeitet, eingeätzt oder durch Energieeintrag mittels Laser oder Plasma eingearbeitet, sodass damit das Bauteilmaterial in diesem Flächensektor geschwächt ist. Dies hat automatisch die Konsequenz, dass die spätere Fügestelle in einem Bauteilbereich einer geschwächten Decklage und/oder mindestens eines weiteren Bauteils er- zeugt wird. Dies eröffnet die Variabilität, auch Nietgeometrien geringerer Stabilität zu verwenden, die außerhalb dieses geschwächten Flächensektors nicht zum Herstellen einer Verbindung durch diese Decklage und Bauteile anwendbar wären.

Vorliegende Erfindung offenbart zudem ein V erbindungsverfahren für mindestens ein erstes und zweites Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung, in der das erste Bauteil eine Decklage in der stapelförmigen Anordnung bildet und aus Metall, einem Metallverbund, einem Komposit oder einem faserverstärkten Kunststoff besteht. Das V erbindungsverfahren weist die folgenden

Schritte auf: materialabtragendes Schwächen von zumindest der Decklage in einem Flächensektor gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Bauteilschwächung und danach Verbinden der in der stapelförmigen Anordnung überlappend angeordneten Bauteile in dem geschwächten Flächensektor mithilfe eines zumindest aus einem Stempel bestehenden Fügewerkzeugs mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfugeteils.

Zur Herstellung der Verbindung im Rahmen des erfindungsgemäß bevorzugten V erbindungsver- fahrens werden vorzugsweise Stanzniete, Blindniete, Nägel, Schrauben, Bolzen, Schweißhilfsfü- geelemente oder ähnliche V erbindungselemente eingesetzt. Diese V erbindungsei emente werden in den Flächensektor gesetzt, der zuvor mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Bauteil schwächung in seiner Verformungsstabilität geschwächt worden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung besteht das erste Bauteil des Bauteilstapels aus einem Metall mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa, vorzugsweise von mehr als 800 MPa. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls bevorzugt, dass die zur Verbindung des Bauteilstapels verwendeten Fügeelemente bzw. das Fügeelement ein Material mit einer Zugfestigkeit von maximal 2000 MPa, vorzugsweise von weniger als 1830 MPa und weiter bevorzugt von annähernd 1.500 MPa aufweist. In weiteren bevorzugten Ausfiihrungsformen fuhrt die Materialschwächung im Flächensektor F dazu, dass Fügeelemente mit noch geringerer Zugfestigkeit bzw. allgemein gesagt mit noch geringerer Stabilität eingesetzt werden können. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Bauteilstapel aus mindestens zwei Bauteilen mithilfe eines unvergü- teten Fügeelements zu verbinden. Weitere bevorzugte Ausfiihrungsformen der verwendeten Fügeelemente sehen daher vor, dass das Material des Fügeelements eine Zugfestigkeit von 1.555 MPa oder eine maximale Zugfestigkeit von 1320 MPa aufweist. Im Falle der Nutzung eines Fügeelements, dessen Material unver gütet ist, liegt vorzugsweise die Zugfestigkeit dieses Materials bei einem Wert von etwa 500 MPa. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass eine Zugfes- tigkeit des Nietmaterials während der Umformung des Nietmaterials zum Niet verfahrenstypisch zunimmt. Diese Toleranzen werden durch„etwa“ umschrieben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen V erbindungsver- fahrens wird nur die Decklage in der stapelförmigen Anordnung geschwächt oder es werden nacheinander zunächst das mindestens eine zweite Bauteil und nach einem Stapeln die darüber angeordnete Decklage geschwächt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in der stapelförmigen Anordnung zunächst die Decklage und dann das zumindest eine zweite Bauteil nach dieser Decklage durch oder über die Decklage geschwächt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des V erbindungs Verfahrens sieht vor, dass zunächst das mindestens eine zweite Bauteil in einem Flächensektor geschwächt wird und danach die Decklage ungeschwächt über diesem zweiten Bauteil angeordnet wird. Nachfolgend findet dann das Verbinden des Bau teilstapels statt.

Die oben genannten bevorzugten Ausführungsformen des Verbindungsverfahrens sehen allge- mein vor, dass eine B aut eil Schwächung zur Unterstützung einer Verbindung eines Stapels von Bauteilen in der Decklage, aber auch in zumindest einem unterhalb der Decklage angeordneten Bauteil vorgenommen werden kann. Entsprechend wird dann die Herstellung einer Verbindung im Bauteilstapel dadurch erleichtert, dass entweder die Decklage einen geschwächten Flächen- Sektor aufweist, oder die Decklage und ein nachfolgendes Bauteil einen Flächensektor ge schwächten Materials aufweist oder aber die Decklage keinen geschwächten Flächensektor aufweist, sondern lediglich in dem mindestens einen nachfolgenden Bauteil eine Materialschwä- chung in einem ausgewählten Flächensektor vorgesehen ist. Entsprechend entsteht hier eine gewisse Variabilität in der Herstellung der Verbindung, da der Flächensektor mit

Bauteilschwächung gezielt in zumindest einem ausgewählten Bauteil hergestellt werden kann.

Vorliegende Erfindung umfasst zudem ein Verbindungsverfahren für mindestens ein erstes und ein zweites Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung, in der das erste Bauteil eine Decklage in der stapelförmigen Anordnung bildet und aus Metall, einem Metallverbund, einem Komposit o- der einem faserverstärkten Kunststoff besteht, welches die folgenden Schritte aufweist: Anordnen des ersten Bauteils und des mindestens einen zweiten Bauteils stapelförmig übereinander, wobei zumindest das erste und/oder das zweite Bauteil mindestens einen Flächensektor F einer Größe im Bereich von 0 < F < 400 mm ² , vorzugsweise 0 < F < 300 mm ² oder 0 < F < 200 mm ² aufweist, in dem ein Material des ersten Bauteils einen geringeren Widerstand gegen mechani sche Verformung als außerhalb des Flächensektors F umfasst, und Verbinden der in der stapel- förmigen Anordnung überlappend angeordneten Bauteile in dem geschwächten Flächensektor F mithilfe eines zumindest aus einem Stempel bestehenden Fügewerkzeugs mit oder ohne Verwen- düng eines Hilfsfügeteils.

Das oben genannte V erbindungsverfahren sieht vor, dass eine Verbindung zwischen diesen meh reren Bauteilen auf unterschiedliche Art und Weise einfacher hergestellt werden kann. Grund- sätzlich wird die vereinfachte Herstellung der Verbindung dadurch erzielt, dass zumindest eines der Bauteile in der stapelförmigen Anordnung einen Flächensektor mit einer Materialschwä chung aufweist. Dieser Flächensektor mit einer reduzierten Bauteildicke in Fügerichtung kann in der Decklage oder in dem zumindest einen darauffolgenden Bauteil oder aber nur in dem nach der Decklage folgenden mindestens einen Bauteil vorgesehen sein. Entsprechend ist eine ge- wisse Variabilität in der Gestaltung des V erbindungs verfahr ens vorgesehen, da gezielt ein Bau- teil oder mehrere Bauteile aus der stapelförmigen Anordnung mit einem Flächensektor aus geschwächtem Material ausgestattet werden können. In Abhängigkeit von der herzustellenden Verbindung und/oder dem verwendeten Fügeelement weist der geschwächte Flächensektor eine bestimmte Größe und/oder Form auf. Die Größe des Flächensektors liegt dabei vorzugsweise bei < 400 mm ² , bevorzugt < 300 mm ² oder weiter bevorzugt bei < 200 mm ² . Des Weiteren ist es be vorzugt, dass der geschwächte Flächensektor eine runde, elliptische, eckige, unregelmäßige, re gelmäßige, ringförmige, gemusterte oder profilierte Struktur bzw. Form aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des oben beschriebenen V erbindungsver- fahrens weist das mindestens eine zweite Bauteil mindestens einen Flächensektor F einer Größe im Bereich von 0 < F < 400 mm ² auf, der in einer Fügerichtung betrachtet unterhalb des Flächensektors F des ersten Bauteils angeordnet ist. Des Weiteren ist es bevorzugt, das Verbinden der Bauteile in der stapelförmigen Anordnung mithilfe eines Stanzniets, Blindniets, Nagels,

Schraube, Schweißhilfsfugeteils oder ähnlichem zu realisieren. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls bevorzugt, dass das erste Bauteil aus einem Metall mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa, vorzugsweise von mehr als 800 MPa, besteht.

Vorzugsweise betreffen die oben genannten Festigkeitswerte das erste Bauteil des Bauteilstapels, also die Decklage der stapelförmigen übereinander angeordneten Bauteile. Aufgrund dieser ho hen Zugfestigkeit des Bauteilmaterials wird eine Materialschwächung im Flächensektor F herge stellt. Dies ermöglicht es, dass V erbindungsel emente auch geringerer Zugfestigkeit zum

Herstellen einer Verbindung in der stapelförmigen Anordnung verwendet werden können.

Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Fügeelement aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von maximal 2000 MPa, vorzugsweise von weniger als 1830 MPa, weiter bevorzugt von maximal 1555 MPa und noch mehr bevorzugt von maximal 1320 MPa, besteht. Ent- sprechend der vorgesehenen Materialschwächung im Flächensektor F in nur einem Bauteil oder in mehreren übereinander gestapelten Bauteilen lässt sich die Zugfestigkeit des verwendeten V erbindungsel ements bzw. Fügeteils reduzieren. Auf diese Weise lassen sich Fügeelemente ein- setzen, die eine geringere Zugfestigkeit als die häufig genutzten 2000 MPa aufweisen. Die Ge- staltungsvielfalt des vorliegenden V erbindungsverfahrens mit einer variabel einsetzbaren Bauteilschwächung eröffnet zudem die bevorzugte Möglichkeit, auch mithilfe eines Fügeelements aus einem unver güteten Stahl eine verlässliche Verbindung herzustellen. Ein derartiges Fügeelement hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit von maximal 500 MPa.

Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügeverbindung aus mindestens einem ersten und einem zweiten Bauteil in einer stapelförmigen Anordnung, in der das erste Bauteil eine Decklage in der stapelförmigen Anordnung bildet, aus Metall, einem Metallverbund, einem Komposit oder einem faserverstärkten Kunststoff besteht und das mindestens eine erste und/oder das mindestens eine zweite Bauteil weist/weisen jeweils mindestens einen geschwächten Flächensektor auf, in dem das mindestens eine erste und das zweite Bauteil miteinander verbunden sind. Eine derar tige Fügeverbindung wird vorzugsweise mittels Stanzniet, Blindniet, Nagel, Schweißhilfsfügeteil oder Schraube oder mittels Clinchen hergestellt. Wie bereits aus der obigen Beschreibung des Verbindungsverfahrens hervorgeht, unterstützt eine Bauteilschwächung in allen oder einer Aus wahl der Bauteile des Bauteilstapels ein vereinfachtes Verbinden. Dadurch wird dann auch eine Verbindung entsprechender Struktur erzielt.

4. Kurzzusammenfassung der Zeichnungen

Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Fügewerkzeugs in Kombination mit einem

Laser,

Figur 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsfomi eines Fügewerkzeugs in Kombination mit einem Laser,

Figur 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsfomi eines Fügewerkzeugs mit C-Rahmen und einem Laser,

Figur 4 eine bevorzugte Ausführungsfomi einer separaten Laserquelle zur Bauteilschwä chung,

Figur 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsfomi eines Fügewerkzeugs mit einem Stempel und einer Laserquelle,

Figur 6 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Systems zur Bauteilschwächung mit einer Laserquelle, Figur 7 eine seitliche Schnittdarstellung einer bevorzugten Stanzni etgeometrie oberhalb ei nes Bauteilstapels mit einer Decklage, die eine B auteil Schwächung in einem Flä chensektor aufweist,

Figur 8 a-c verschiedene geometrische Ausgestaltungen einer Bauteilschwächung in einer

Decklage eines zu verbindenden Bauteilstapels,

Figur 9 eine Draufsicht auf bevorzugte Ausführungsformen eines Musters zur Bauteil

schwächung im Flächensektor,

Figur 10 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Bauteilschwächung und

Figur 11 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verbindungs verfah- rens.

5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In den Figuren 2, 4, 6, 7 und 8 ist eine Mehrzahl mehrerer übereinander angeordneter Bauteile D, B gezeigt. Die stapelförmig angeordneten Bauteile D, B umfassen eine Decklage D, die ein einem Fügewerkzeug 10 zugewandtes oberes Bauteil des Bauteilstapels bildet. Entsprechend dringt während eines Verbindungs Verfahrens zum Verbinden der stapelformig angeordneten Bauteile D, B ein Fügeelement 30 zunächst in die Decklage D ein, um dann eine Verbindung zum folgenden Bauteil B herzustellen. Während nur ein Bauteil B in Fügerichtung nach der Decklage D gezeigt ist, können in der stapelförmigen Anordnung aus Decklage D und Bauteil B auch mehrere Bauteile angeordnet sein.

Zum Herstellen der Verbindung wird allgemein ein Fügewerkzeug 10 genutzt. Das Fügewerkzeug 10 fügt bzw. setzt Fügeelemente 30 in die stapelformig angeordneten Bauteile D, B. Die Gruppe der anwendbaren Fügeelemente 30 umfasst alle gängigen Fügeelemente, wie vorzugs weise Stanzniete, Blindniete, Nägel, Bolzen, Schrauben, Drahtabschnitte (siehe dazu DE 10 2016 122 789 Al), Schweißhilfsfügeteile und ähnliches. Ein Halbhohlstanzniet 32 ist in Figur 7 schematisch und beispielgebend für die Fügeelemente 30 angedeutet. Er umfasst einen Nietkopf und einen Nietschaft mit einer kopfabgewandten Schneidenanordnung 34. Die genannten Fügeelemente 30 werden mit dem Fügewerkzeug 10 gesetzt. Beispielgebend zei gen die Figuren 1-3 Fügewerkzeuge 10 für Stanznietelemente 32. In diesen bekannten Füge werkzeugen 10 wird der Stanzniet 32 unter einen Stempel 14 im Setzkopf 12 zugeführt. Der Stempel 14 bewegt sich in Fügerichtung R _F in Richtung Decklage D und drückt das Fügeei ement 30 in die stapelformig angeordneten Bauteile D, B. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass der Stempel 14 des Fügewerkzeugs 10 eine Fügeverbindung ohne Fügeelement 30 herstellt, vorzugsweise eine Clinch- Verbindung.

Innerhalb eines Flächensektors F der Decklage wird das Fügeelement 30 gesetzt oder erzeugt der Stempel 14 eine Verbindung mittels Durchsetzfügen. Vorzugsweise umfasst der Flächensektor F der Decklage D eine Größe von 0 < F < 400 mm ² , insbesondere eine Größe von 0 < F < 300 mm ² und weiter bevorzugt von 0 < F < 200 mm ² .

Um dem Fügeelement 30 oder dem Stempel 14 das Verformen und/oder Eindringen in die Decklage D und somit das Herstellen einer Verbindung zwischen den Bauteilen zu erleichtern, wird die Decklage D gezielt in dem mindestens einen Flächensektor F geschwächt. Das bedeutet, dass die Decklage D im Bereich des Flächensektors F bearbeitet wird, um einen Widerstand des Ma terials der Decklage im Bereich des Flächensektors F gegen Verformung während eines Verbin- dungsverfahrens zu vermindern. Entsprechend wird im Flächensektor F eine Stärke der Decklage D in Fügerichtung RF verringert. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine Stabilität der Decklage D im Flächensektor F durch Einschnitte, Einstiche, Bohrungen, Prägungen und/oder Profilierungen zu verringern, sodass das Fügeelement 30 oder der Stempel 14 leichter eindringen können.

Während der Flächensektor F aus geschwächtem Material als Teil der Decklage D beschrieben worden ist, ist es ebenfalls bevorzugt, einen derartigen geschwächten Flächensektor F in den Bauteilen B vorzusehen. Daher ist die Beschreibung des geschwächten Flächensektors F der Decklage D in gleicher Weise auch für einen Flächensektor F in einem Bauteil B gültig.

Das Schwächen des Materials im Flächensektor F erfolgt mit einem materialabtragenden Verfahren. Entsprechend ist in den Figuren 1, 2, 3, 5 das Fügewerkzeug 10 mit einem Laser 80 kombi- niert. Der Laser 80 strahlt vorzugsweise gesteuert in den Flächensektor F ein, sodass im

Flächensektor F Material der Decklage D und/oder des Bauteils B abgetragen wird. Dieser Mate- rialabtrag mittels Laser 80 bzw. mittels Laserenergie durch den Laser 80 erfolgt vorzugsweise auch durch einen getrennt angeordneten Laser 80 vorgelagert zum späteren Verbindungsverfall- ren. Der Laser 80 ist bevorzugt repräsentativ für andere Energiequellen und Bearbeitungsvor richtungen, die zur Schwächung im Flächensektor anwendbar sind. Die Energie des Laserlichts im Flächensektor F trägt bevorzugt flächig Material der Decklage D ab, sodass die Stärke der Decklage D in diesem Bereich in Fügerichtung RF abnimmt. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass mithilfe des Lasers 80 gezielt Bereiche im Flächensektor F ausgeschnitten werden, wie es die Figuren 7, 8a-c und 9 zeigen. Figur 7 und Figur 8a zeigt eine bevorzugte Schwächung im Flächensektor F, in dem ein Tiefenprofil 40 in der Decklage D ausgeschnitten worden ist. Dieses Tiefenprofil 40 ist einem Materialverdrängungsbereich des Fügeelements 30, hier der Stanzniet 32, nachempfunden. Dadurch erfolgt die gezielte Schwächung der Decklage D oder des Bauteils B dadurch, dass eigentlich durch das Fügeelement 32 zu verdrängendes Material während des Verbindungsverfahrens be- reits vor dem Fügen entfernt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Bauteilschwächung sieht vor, Einschnitte 42 und/oder Einstiche 44 und/oder obige Tiefenprofile 40 im Flächensektor F zu erzeugen. Diese durchdringen die Decklage D oder ein Bauteil B teilweise oder vollständig in Fügerichtung RF, wie man in den Figuren 8b, 8c erkennt. Weiterhin bevorzugt werden diese Einschnitte 42 und/o der Einstiche 44 und/oder Tiefenprofile 40 in einer Mehrzahl in einer regelmäßigen oder unre gelmäßigen Anordnung im Flächensektor F erzeugt (siehe Figur 9). Es ist ebenfalls bevorzugt, die oben genannte regelmäßige oder unregelmäßige Anordnung durch Bohrungen im Flächen sektor F vorzusehen. Diese Bohrungen haben dann entsprechend der obigen Beschreibung eine vordefinierte Tiefe in der Decklage in Fügerichtung RF oder sie durchdringen die Decklage D vollständig. Die Anzahl, Größe und Art der Anordnung der Einstiche 44 und/oder Einschnitte 42 und/oder Bohrungen und/oder Tiefenprofile 40 wird bevorzugt durch die Materialeigenschaften der Decklage D oder/und des Bauteils B und des Fügeelements 30 bestimmt. Somit werden bevorzugt die Decklage D und mindestens ein Bauteil B übereinander gestapelt. Um das Setzen des Fügeelements oder allgemein das Herstellen der Verbindung zu erleichtern, ist in der Decklage D und/oder im Bauteil B ein geschwächter Flächensektor F vorgesehen. Da die Decklage D und/oder das Bauteil B jeweils in dem geschwächten Flächenvektor F weniger stabil ist/sind verglichen mit dem den Flächensektor F umgebenden Material, wird das Erzeugen einer Verbindung durch Setzen des Fügeelements in den mindestens einen geschwächten Flä chensektor F erleichtert.

Gemäß unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung wird die Ma- terialschwächung im Bauteil B oder der Decklage D mithilfe verschiedener bekannter Verfahren erzielt. Zu ihnen gehören neben dem Laserschneiden oder Bearbeiten mithilfe eines Lasers 80 ein Erodieren, ein mechanischer Materialabtrag, ein Materi alabtrag durch das Einwirken eines Plasmas und/oder ein chemischer Materialabtrag. Der mechanische Materialabtrag umfasst das Schleifen, Trennen, Schneiden, Bohren, Schlitzen der Decklage D im Flächensektor F, um die Schwächungen 40, 42, 44 bis in die gewünschte Materialtiefe zu erzielen. In gleicher Weise erfolgt der chemische Materialabtrag mittels Ätzen oder gezieltem Auflösen von Material. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der Elektrotechnik zum Herstellen von Leiterplatten bekannt. Entsprechend kann das Fügeelement 30 die Decklage D und/oder das mindestens eine Bauteil B im Flächensektor F mit weniger Aufwand durchdringen oder verformen oder darin ein- dringen.

Gerade der Leichtbau im Fahrzeugbau oder auch die allgemeine Entwicklung in der Konstruktionstechnik bringt die zunehmende Nutzung hochfester, höherfester und ultrafester Materialien mit sich. Dazu zählen metallische Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit von > 600 MPa, insbeson- dere > 800 MPa. Beispielsweise sind hier die Dualphasenstähle, wie HCT600X, HCT780X und HCT980X zu nennen. Des Weiteren sind in diesem Zusammenhang W armumformstähle, wie 22MnB5 mit einer Zugfestigkeit von vorzugsweise ca. 1600 MPa zu nennen. Höherfeste Varian- ten von Metallen werden derzeit ebenfalls entwickelt. Sie werden unter anderem als Ultra High Strength Steel bezeichnet und erreichen Zugfestigkeit von ca. 2000 MPa. Generell ist aber fest- zustellen, dass die Zugfestigkeiten von in der Konstruktion zu verwendenden Bauteilmaterialien nach oben nicht begrenzt ist. Um aber auch diese Materialien für verschiedene Verbindungsverfahren nutzen zu können, ist es von Vorteil, sie in dem Flächensektor F der später herzustellen- den Verbindung nach oben beschriebenem Verfahren zu schwächen. Um mehr Flexibilität im Einsatz der Fügeelemente 30 zu haben, sodass nicht für jedes Material der Decklage D und des Bauteils B oder jeden Bereich an Zugfestigkeit des Materials der Deck lage D und des Bauteils B ein spezielles Fügeelement 30 bereitgestellt werden muss, wird das Verfahren zur Bauteilschwächung (siehe oben) genutzt. Denn vor einem V erbindungsverfahren ist eine Position und eine Größe eines Flächensektors F auf der Decklage D und/oder auf dem Bauteil B identifizierbar, in dem die Verbindung hergestellt werden soll. Entsprechend kann zur Vorbereitung des V erbindungs Verfahrens das Material in diesem Flächensektor F geschwächt werden, um das nachfolgende V erbindungs verfahren zu unterstützen und zu erleichtern.

Das gleiche Vorgehen eignet sich auch bei Kunststoffmaterialien. Zu dieser Gruppe zählen Kunststoffe mit Glasfaserverstärkung, Kohlefaserverstärkung oder allgemein mit Faserverstär kung, für die derzeit auf dem Markt kein allgemeingültiges Fügeverfahren vorliegt. Dies liegt vor allem daran, dass es während bekannter Fügeverfahren zu einer Delamination einzelner La gen in der Matrix des Kunststoffmaterials kommt. Durch eine lokale Di ckenreduzi erring des Kunststoffbauteils wird vorzugsweise das Risiko der Delamination reduziert. Daher ist es erfin- dungsgemäß bevorzugt, die oben für unter anderem Metallwerkstoffe beschriebenen Schwächungsverfahren in gleicher Weise auch für Bauteile aus Kunststoff anzuwenden.

Entsprechend lassen sich mithilfe einer vorbereitenden Bauteilschwächung in dem mindestens einen Flächensektor F Fügeverbindungen hersteilen, die mit gängigen Fügeelementen 30 auch in hochfesten Werkstoffen erzielt werden können. Die hergestellte Verbindung umfasst vorzugsweise zumindest eine Decklage D aus einem Metall mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa und vorzugsweise von mehr als 800 MPa. Zu diesen Metallen zählen unter anderem die bereits oben genannten Materialien, wobei diese lediglich eine exemplarische aber nicht begrenzende Auswahl darstellen.

Weiterhin bevorzugt sind mithilfe der oben diskutierten Materialschwächung Fügeelemente 30 einsetzbar, die eine geringere Zugfestigkeit aufweisen als Fügeelemente 30 für ungeschwächte Bauteile. Daraus folgt, dass auch in Bauteilen höherer Festigkeiten mit Fügeelementen 30 gerin gerer Stabilität oder Anwendungsbreite in durchschnittlichen Metallverbindungen eine verlässli che Verbindung herstellbar ist. Derartige Fügeelemente weisen vorzugsweise eine maximale Zugfestigkeit von 2.000 MPa und bevorzugt von 1830 MPa auf. Bei weiterer bevorzugter Anpas sung der Decklage D und/oder des mindestens einen Bauteils B durch den bevorzugten j eweili- gen geschwächten Flächensektor F im Fügebereich ist es ebenfalls bevorzugt, Fügeelemente einer Zugfestigkeit von <1555 MPa und weiter bevorzugt von <1320 MPa zu setzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung werden Verbindungen mit ei nem Fügeelement aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von <500 MPa hergestellt. Hier handelt es sich bevorzugt um Fügeelemente aus unvergütetem Drahtmaterial (Stahl) oder Aluminium. Unter Bezugnahme auf Figur IO lassen sich die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Bauteil schwächung zusammenfassen. Zunächst wird im Schritt S1 eine Decklage D bereitgestellt. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine stapelförmige Anordnung von Bauteilen vorzusehen, in denen die Decklage D das oberste Bauteil bildet. Nachfolgend erfolgt im Schritt S2 eine materialabtragende Bauteilschwächung im Flächensektor F Wie oben bereits im Detail erläutert worden ist, erfolgt die materialabtragende Bauteilschwächung vorzugsweise flächig im Flächensektor F (siehe Schritt S3) oder in ausgewählten Teilbereichen, wie es in Figur 9 veranschaulicht ist (siehe Schritt S4). Es ist ebenfalls bevorzugt, dass eine Bauteilschwächung durch die Decklage D oder über die Decklage D im darunterliegenden Bauteil B erfolgt.

Ergänzend ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass das Verfahren zur Bauteilschwächung als ein separates Verfahren zur Bauteilbearbeitung durchführbar ist. In gleicher Weise ist es ebenfalls denkbar, das Verfahren zur Bauteilschwächung in ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen zu integrieren. Abschließend ist es ebenfalls erwähnenswert, dass das Verfahren zur Bauteil- schwächung als ein Zwischenschritt in einem V erbindungsverfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung einsetzbar ist.

Bezugnehmend auf Figur 1 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines V erbindungsverfahrens in Form eines Flussdiagramms veranschaulicht. Dieses V erbindungs verfahren umfasst im Schritt VI das Bereitstellen einer stapelförmigen Anordnung mit zumindest einer Decklage D und ei- nem weiteren Bauteil B. Im Schritt V2 erfolgt dann die Bauteilschwächung der Decklage D und bevorzugt des Bauteils B im Flächensektor F, wie es oben im Detail beschrieben ist. Nachfol- gend erfolgt im Schritt V3 das Verbinden der im Stapel angeordneten Bauteile mit der oberen Decklage D mithilfe eines Fügeelements 30.

Es ist ebenfalls bevorzugt, im Schritt VI bereits eine stapelförmige Anordnung mit einer Decklage D vorzusehen. Hier ist in der Decklage D und/oder im mindestens einen Bauteil B jeweils ein geschwächte Flächensektor F vorgesehen. Vorzugsweise grenzen die geschwächten Flächensektoren F in Fügerichtung aneinander an, um das Fügen in mehrere Bauteile zu erleichtern. In diesem Fall würde man vorzugsweise den Schritt V2 überspringen und sofort eine Verbindung durch Setzen eines Fügeelements 30 im geschwächten Flächensektor F herstellen.

6. Bezugszeichenliste 10 Fügewerkzeug

12 Setzkopf

14 Stempel

20 Schwächungsvorrichtung

30 Fügeelement

32 Halbhohlstanzniet 34 Schneidenanordnung

40 Tiefenprofil

42 Einschnitte

44 Einstiche

80 Laser

D Decklage

B Bauteil

F Flächensektor

RF Fügerichtung