CH646744A5 - Befestigungsbolzen zum einseitigen befestigen an metallplatten. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Befestigungsbolzen zum einseitigen Befestigen an Metallplatten und Verbundplatten mit metallischen Deckblechen an, insbesondere Verbundplatten mit einem Kunststoffkern und Deckblechen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen unter Anwendung des Bolzen-schweissverfahrens mittels Kondensatoren.

Verbundplatten, insbesondere die aus einem Kern und zwei metallischen Deckschichten bestehenden, werden oft einseitig befestigt. Besonders bei Verwendung als vorgehängte Fassadenelemente sollen sich auf der dekorativen Aussenseite, der Sichtseite, durch Befestigungselemente auf der Gegenseite, der Rückseite, keine bleibenden Verformungen oder Abzeichnungen ergeben, die besonders bei schrägem Lichteinfall unerwünschte, den ästhetischen Eindruck beeinträchtigende Effekte wie z.B. Schattenwurf oder Punktstruktur hervorrufen.

Aber auch bei Verwendung von Verbundplatten als Raumteiler oder ähnliches, wo von jeder der beiden Seiten einseitig angebrachte Befestigungselemente verwendet werden, ist es unerwünscht, dass die metallische Deckschicht der Gegenseite durch ein Befestigungselement in irgendwelcher Art beeinträchtigt wird.

Die Verwendung von einseitigen Befestigungselementen bei Deckplatten jeglicher Art wird in den meisten Fällen gerade dann bevorzugt, wenn die Sichtseite in keiner Weise durch das Befestigungselement beeinflusst werden soll.

Es sind einseitig angebrachte Befestigungselemente für Verbundplatten bekannt. Diese haben aber den Nachteil, dass sie entweder keine einwandfreie Sichtseite gewährleisten oder nur mit unwirtschaftlich hohen Fertigungskosten an die Verbundplatte angebracht werden können oder die mechanische Festigkeit der Befestigung lässt zu wünschen übrig.

So muss z.B. bei Verwendung der Spreizkralle nach DE-GM 7442 107 oder beim Reibschweissverfahren nach CH-PS 583 833 zunächst ein Loch in die Deckschicht gebohrt werden, was die mechanische Beanspruchung von Verbindung und Platte stark einschränkt und die Fertigung verteuert.

Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, eine Befestigungsvorrichtung für Verbundplatten durch Aufschweissen von Gewindebolzen mittels Kondensatorentladungsschweissge-räten herzustellen. Dieses Verfahren blieb bisher für den oben beschriebenen Verwendungszweck ohne Erfolg, weil die Festigkeit, speziell wenn die Verbindung auf Torsion beansprucht wird, bei Verwendung der üblichen Bolzen mit konzentrischer, schwach konischer Kontaktfläche mit zentrischem Dorn als Zündspitze zu gering war. Erst bei Deckblechdicken ab etwa 1 mm konnten teilweise brauchbare Ergebnisse erhalten werden. Üblicherweise werden aber Deckbleche mit Dicken kleiner als 1 mm verwendet. Weder durch das Kondensatorentladungsschweissverfahren noch durch ein anderes Verfahren ist bisher eine zufriedenstellende Befestigungsmöglichkeit für die bevorzugt im Handel befindlichen Verbundplatten verfügbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zur einseitigen Befestigung von Metallplatten, insbesondere von Verbundplatten aus einem Kernmaterial, beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffkern, und metallischen Deckblechen, ein Befestigungselement zu entwickeln, welches die erwähnten Mängel nicht aufweist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe gehen die Erfinder von der Feststellung aus, dass bei Bolzen, die mit dem Deckblech verschweisst sind, die Deckblechdeformation wesentlich von der mechanischen Beanspruchung der Bolzen abhängt.

Durch das Anziehen von Muttern ist bei Verschraubungen des Anzugsdrehmoment, wobei Zug und Torsion gleichzeitig wirksam werden, ausschlaggebend. Im montierten Zustand, z.B. als Fassadenverkleidung, treten zusätzlich Schubbeanspruchungen auf, die je nach Gewicht bzw. Grösse der Verbundplatte und Anzahl der tragenden Bolzen ändern. Des weiteren wirken thermische Spannungen, bedingt durch Witterungseinflüsse, auf die Verschweissung ein. Es ist somit einleuchtend, dass die Art der Krafteinleitung und die Stelle des Auftretens von Spannungsspitzen für die Befestigung von ausschlaggebender Bedeutung sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Änderung der geometrischen Form der bisher für diesen Zweck üblichen Befestigungselemente alle vorerwähnten Mängel beseitigt werden können.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 bis 5 Seitenansichten verschiedener Ausführungsarten des Bolzens

Fig. 6 bis 9 Grundrisse verschiedener Ausführungsarten des Bolzens

Das erfindungsgemässe Befestigungselement ist ein metallischer Bolzen, der gemäss der Figuren 1 bis 4 aus einem Schaft 10 und einem stirnseitig daran angebrachten Kopf 20 besteht. Der Schaft 10 kann in an sich bekannter Weise zur weiteren Befestigung mit Aussen- oder Innengewinde versehen sein oder eine sonstige Befestigungsvorichtung aufweisen. Der Kopf 20 ist mit einer Verschweissfläche 26 versehen, die ringförmig ist und deren Begrenzung innen und aussen durch eine geschlossene Kegelschnittfigur charakterisiert ist. Auf der Verschweissfläche 26 des erfindungsge-mässen Bolzens befindet sich ein Zündring 28. Bei bisher üblichen Ausführungsformen dagegen sind Befestigungsbolzen mit kegelförmiger Verschweissfläche und zentral angeordneter Zündspitze eingesetzt worden.

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Die topfartige Ausbildung des Kopfes stellt eine einfache Ausführungsform der Erfindung dar. Diese beispielhafte Ausführung soll im folgenden an Hand von Figur 1 erläutert werden. Der Kopf 20 des Bolzens besteht aus einem kreisförmigen Boden 22, auf dem ein hohlzylinderförmiger Ring 24 angebracht ist. Als Verschweissfläche 26 steht ein Kreisring zur Verfügung, dessen Ebene ungefähr senkrecht zur Längsachse des Schaftes 10 angeordnet ist. Als Kontaktierungsele-ment wird zum Auslösen des Schweissstroms ein auf der kreisförmigen Verschweissfläche 26 etwa in der Mitte angeordneter, vorzugsweise zu einem Kreis zulaufender Zündring 28 verwendet.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sich der Schweiss-vorgang nicht wie bei den bisher verwendeten Bolzen einseitig radial, sondern gleichzeitig nach innen zu kleineren Durchmessern und nach aussen zu grösseren Durchmessern fortpflanzt.

In der Folge der Ausgestaltung der Erfindung hat es sich gezeigt, dass der Ring 24 nicht unbedingt zylinderförmig sein muss. Beispielsweise haben sich auch kegelstumpfförmige oder gerundete Ausführungsformen, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, bewährt. Bei ellipsenringförmiger Verschweissfläche 26 ist es zweckmässig, dass das Verhältnis der Ellipsenachsen nicht über etwa 3 hinausgeht. Üblicherweise liegt es in der Nähe von 1. Des weiteren hat sich ergeben, dass der Boden 22 gänzlich fehlen kann und der Ring 24, wie beispielsweise in Figur 4 dargestellt, in den Schaft 10 einmündet. Wie in Figur 5 dargestellt, kann die Abwandlung der Gestaltung des Befestigungsbolzens so weit gehen, dass der Kopf 20 weggelassen ist und eine durch die ganze Länge des Schaftes 10 hindurchgehende Bohrung die innere Brenzung der Verschweissfläche 26 bildet. Aüch bei einem derartigen Bolzentyp kann zur weiteren Befestigung zum Beispiel ein äusseres oder inneres Gewinde dienen. Wie in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist, können nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Bolzens die Verschweissfläche 26 bzw. der Ring 24 und/oder der Zündring 28 etwa parallel zur Schaftachse mit ein oder mehreren Schlitzen 30 versehen sein.

In einer speziellen Ausführungsform des Befestigungsbolzens sind Boden 22 und Ring 24 kreisförmig und haben an ihrer Kontaktfläche einen gleich grossen äusseren Durchmesser, wobei dieser 1 bis 4 mal, bevorzugt etwa 2 bis 4 mal, so gross ist wie der Durchmesser des Schaftes 10. Bevorzugt ist weiterhin die Dicke des Bodens 22 etwa 1 bis 2 mal der Wandstärke des Ringes 24 und die Höhe des Ringes 24 etwa gleich der Dicke des Bodens 22. Der Zündring 28 hat bevorzugt einen Durchmesser von der Hälfte der Summe des Aussen- und Innendurchmessers des Ringes 24, gemessen am Ort der Verschweissfläche 26, und bildet im Querschnitt ein gleichschenkliges bis gleichseitiges Dreieck, wobei die kürzere Seite in der Ebene der Verschweissfläche 26 liegt und die Höhe etwa ein Zehntel des Durchmessers des Schaftes 10 beträgt.

Mit der erfindungsgemässen Bolzenform können gegenüber dem bisher für diesen Zweck verwendeten Bolzen deutlich höhere Festigkeiten erzielt werden, was beispielsweise in der folgenden Gegenüberstellung deutlich zum Ausdruck kommt.

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Riss bzw. Bruch bei unterschiedlichen Bolzentypen unter Einwirkung verschiedener Kräfte

Bolzentyp

Abscherkraft

Zugkraft

Torsionsmoment a

766 N

455 N

0,027 N* m b

1455 N

1028 N

0,058 N*m

Die oben angegebenen Werte sind Mittelwerte aus je 10 Versuchen. Als Platte wurde eine im Handel erhältliche Verbundplatte mit einer Gesamtdicke von 4 mm verwendet, bestellend aus einem Polyäthylenkern von 3 mm Dicke und einer beidseitigen metallischen Beplankung von je 0,5 mm Dicke aus der Legierung A1 Mg 1, ]A hart, die Deckblechfestigkeit ctb betrug 1,5*108/m2. Beide Bolzen bestanden aus der Legierung AI Mg3 und hatten einen Schaftdurchmesser von 6 mm. Bolzentyp a repräsentiert den herkömmlichen Bolzen mit einem Durchmesser der Verschweisskreisfläche von 8 mm. Bolzentyp b stellt den erfindungsgemässen Bolzen nach der bevorzugten Ausführungsform dar: hohlzylinder-förmigen Ring 24 mit äusserem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 3 mm, wobei die Wandstärke des Ringes 24 so bemessen war, dass der Flächeninhalt des Kreisringes der Verschweissfläche 26 dem Flächeninhalt der Verschweisskreisfläche vom Bolzentyp a genau entsprach. Der Querschnitt des Zündrings 28 war ein gleichschenkliges Dreieck mit einem Winkel von 40° an der Spitze und einer Höhe von 0,6 mm.

Beim Bolzentyp a pflanzt sich, ausgehend von einer zentralen Zündspitze, an deren Ort die erste Aluminiumlegierungsschmelze entsteht, der Schweissvorgang gegen aussen fort. Mit dieser Anordnung sind Verbindungen mit 75 bis 85% verschweisster Gesamtfläche möglich. Sobald der Zündring 28 des Bolzentyps b das Deckblech der Verbundplatte berührt, wird er aufgeschmolzen und der Schweissvorgang pflanzt sich im Gegensatz zu Bolzentyp a beidseits des Zündringes 28 radial fort. Dabei entsteht eine homogene Schweissverbindung mit 100% möglicher verschweisster Gesamtfläche.

Die hohe Festigkeit der Verschweissung mit dem erfindungsgemässen Bolzen ist vermutlich darin begründet, dass während des Schweissvorgangs wegen der kurzen Fortpflanzungswege bei der erfindungsgemässen Verschweissfläche 26 die Schweissschlacke und sonstige Verunreinigungen radial nach innen und aussen vollständig aus dem Verschweissbe-reich wandern können, so dass eine Verschweissung ohne Schlacken und/oder Verunreinigungseinschlüsse entsteht.

Mit dem erfindungsgemässen Bolzentyp werden die bisherigen Nachteile der geringen Anziehdrehmomente sowie der bleibenden Deckblechdeformationen auf der Sichtseite überwunden.

Ein Vorteil ist zusätzlich die bessere Verteilung der örtlichen Erwärmung auf einen grösseren Blechbereich, was bei Verbundplatten das teilweise lokale Ablösen des Deckblechs vom Kern hervorgerufen durch die punktförmige konzentrierte Erwärmung bei Verwendung der bisher üblichen Bolzen, verhindert.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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1. Befestigungsbolzen zum einseitigen Befestigen an Metallplatten und Verbundplatten mit metallischen Deckblechen, insbesondere an Verbundplatten mit einem Kunststoffkern und Deckblechen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, unter Anwendung des Bolzenschweissverfah-rens mittels Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet,

dass die eine Stirnseite des Befestigungsbolzens, gebildet aus einem metallischen Schaft (10), eine ringförmige, innen und aussen durch eine geschlossene Kegelschnittfigur begrenzte Verschweissfläche (26), auf der sich ein ringförmiger Zündring (28) befindet, aufweist.

2. Befestigungsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Schaft (10) mit einem metallischen Kopf (20) versehen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Befestigungsbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Hauptachsen der Kegelschnittfigur zwischen 1 und 3, vorzugsweise bei 1, liegt.

4. Befestigungsbolzen nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (10) rohrförmig ausgebildet ist.

5. Befestigungsbolzen nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (20) topfartig ausgebildet ist, wobei dessen Rand die Verschweissfläche (26) mit dem Zündring (28) bildet.

6. Befestigungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Verschweissfläche (26) und/oder der Zündring (28) mit mindestens einem Schlitz (30) versehen ist.