WO2009010165A2

WO2009010165A2 - Verfahren zum herstellen einer nagelverbindung sowie nagel hierfür

Info

Publication number: WO2009010165A2
Application number: PCT/EP2008/005168
Authority: WO
Inventors: Torsten Draht; Gerson Meschut
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2010-01-16
Also published as: DE102007033126B4; WO2009010165A3; US8782899B2; DE102007033126A1; US20100183404A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) sowie ein Nagel (6) hierfür. Der Nagel (6) wird mit hoher Geschwindigkeit durch die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile (2, 4) so eingetrieben, dass die Nagelspitze (12) beide Bauteile (2, 4) vollständig durchdringt und im nagelkopfseitigen Bauteil (2) nur in Eintreibrichtung ein Materialkragen (38) gebildet wird, der in eine Klebstoffschicht (62) zwischen den beiden Bauteilen hinein ragt.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung sowie Nagel hierfür

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels, der von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben wird, sowie einen Nagel hierfür. Dieses Verfahren, auch unter dem Begriff „Bolzensetzen" bekannt, ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem der Nagel (Bolzen) mit hoher Geschwindigkeit in die zu fugenden Bauteile eingetrieben wird. Es hat den Vorteil, dass im Allgemeinen eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches ausreicht und häufig Vorlochoperationen vermieden werden können. Das BoI- zensetzen findet bereits in vielen Bereichen wie Stahlbau, Fassadenbau, Metallbau, Schiffbau und Bauwirtschaft als verlässliches Fügeverfahren Anwendung.

Aus DE 1 575 152, 1 940 447, 1 500 770 sind beispielsweise Nägel (Setzbolzen) bekannt, die mittels Setzgeräten in Form von pulverkraftbetriebe- nen Kartuschen in Stahl, Baueisen, Blech und ähnliche metallische Werkstoffe eingetrieben werden. Ein solcher Nagel besteht üblicherweise aus einem Nagelkopf, Nagelschaft und einer ogivalen Nagelspitze, wobei der Schaft mit einer Oberflächenprofilierung in Form von Kreuz- oder Pfeilrandrierungen, wen- delförmig verlaufenden Riffelungen und dergleichen versehen sein kann. Aus DE-GM 72 26 710 ist ein Nagel (Bolzen) mit einem Flachkopf, einem zylindrischen Schaft und einer ogivalen Nagelspitze bekannt, der zum Befestigen von Blechen an einem Metallteil von gegenüber dem Blech größerer Stärke dient. Der Nagel wird durch ein vorgefertigtes Loch des Bleches hindurch in das Metallteil eingeschossen. Im Kopf und/oder im Schaft des Nagels ist eine Ausnehmung zur Aufnahme des beim Einschiessen in das Metall- teil aus diesem hervorquellenden Materials vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Druckschrift ist die Ausnehmung an der Unterseite des Nagelkopfes vorgesehen, so dass der das vorgefertigte Loch umgebende Rand des Bleches von dem verdrängten Material des Metallteils in die Ausnehmung hochgebogen wird. Das Metallteil, dessen Dicke deutlich größer ist als die Länge des Nagels, umschließt die Nagelspitze vollständig. Das in dieser

Druckschrift offenbarte Verfahren dient in erster Linie zum Befestigen von Typenschildern an Maschinen. Zum Befestigen von Blechen an Strangpressprofilen mit geschlossenem Querschnitt oder an innenhochdruckumgeformten Bauteilen, wie beispielsweise im Fahrzeugbau erforderlich, ist dieses Fügever- fahren nicht geeignet.

GB 1 479 600 beschreibt ein Fügeverfahren, bei dem eine Schraube mit Nagelspitze in zwei Bleche eingeschossen wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden die beiden Bleche weder aneinander befestigt noch die Schraube fest eingefügt, so dass sie die beiden Bleche verlässlich verbindet. Stattdessen wird durch das Einschiessen der Schraube mit Nagelspitze ein Vorlochen ersetzt, bei dem nach dem Einschiessen die Schraube in den beiden Blechen festgeschraubt und dadurch befestigt werden muss. Bei dieser Art der Befestigung der beiden Bleche aneinander ist die Vielzahl an auszuführenden Verfahrensschritten von Nachteil. Des Weiteren ist fraglich, ob das Gewinde der Schraube tatsächlich eine verlässliche Verbindung mit dem in die Bleche eingeschossenen Loch bildet.

Ein für diesen Anwendungszweck geeignetes Fügeverfahren ist beispielsweise das sogenannte Direktverschrauben, auch als „Flow Drilling Screw (FDS)" bezeichnet. Bei diesem Verfahren (vgl. z.B. DE 102 48 427 Al, DE 39 22 684 Al, DE 39 09 725 Cl und DE 196 37 969 C2) wird eine Schraube verwendet, die einen flachen Schraubenkopf, einen mit Gewinde versehenen Schraubenschaft und eine Schraubenspitze aufweist. Die Schraube wird zunächst mit hoher Drehzahl und einer entsprechenden Anpresskraft auf die zu fügenden Bauteile aufgesetzt. Die hierbei auftretende Reibungswärme plastifi- ziert den umzuformenden Fügeteilwerkstoff. Hierbei bilden sich sowohl entge- gen wie auch in Vorschubrichtung krater- bzw. wulstförmige Ansätze, in denen das Schraubengewinde ein Gegengewinde ausfurcht. Wenn die Schraube die Bauteile durchdrungen und der Schraubenkopf auf dem oberen Bauteil aufgesetzt hat, wird der Einschraubvorgang beendet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines mit hoher Geschwindigkeit eingetriebenen Nagels sowie einen Nagel hierfür zu schaffen, welche bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile einsetzbar sind, kein Vorlochen der Bauteile erfordern, einen extrem einfachen und vor allem kurzzeitigen Fügevorgang ohne Drehbewegung des Nagels ermöglichen und dennoch zu einer hohen Verbindungsqualität führen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 34 definiert. Ein bei diesem Verfahren verwendbarer Nagel ist in Patentanspruch 35 definiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Nagel mit einem Na- gelkopf, einem Nagelschaft und einer Nagelspitze zum Verbinden von zwei

Bauteilen in einem Fügebereich in diese Bauteile eingetrieben. Zur verbesserten Befestigung der Bauteile aneinander wird auf zumindest eines der Bauteile Klebstoff aufgebracht, so dass der Klebstoff zwischen den zwei Bauteilen angeordnet ist. Nachdem die Bauteile mit Hilfe einer Spannvorrichtung derart positioniert worden sind, dass eine vorgegebene Spaltbreite eines Spalts zwischen den zwei Bauteilen eingestellt wurde, erfolgt das Eintreiben des oben genannten Nagels. Der Nagel wird mit Hilfe eines Setzgeräts mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial eingetrieben. Der Schritt des Eintreibens des Nagels ist derart ausgelegt, dass eine feste Verbindung zwischen den zwei Bauteilen entsteht, die Nagelspitze das nagelkopfseitige Bauteil durchdringt und zumindest in das nagelkopfabgewandte Bauteil eindringt und im nagelkopfseitigen Bauteil nur ein Materialkragen gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vom nagelkopfseitigen Bauteil vorsteht. Basierend auf dem oben beschriebenen Verfahren werden die Vorteile des Einfügens eines Bolzens mit hoher Geschwindigkeit in zwei Bauteile mit einer zwischen diesen Bauteilen angeordneten Klebstoffschicht kombiniert. Dabei wird die Klebstoffschicht und die Ausrichtung der beiden Bauteile bzw. die Beabstandung der beiden Bauteile zueinander derart gewählt, dass die Klebstoffschicht trotz Fügestelle eine annähernd konstante Dicke behält und zudem zumindest die Verformung des nagelkopfseitigen Bauteils zu einer Stabilisierung der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen beiträgt. Die stabilisierende Wirkung im Rahmen der hergestellten Verbindung wird dadurch erzielt, dass während des Fügevorgangs ein Materialkragen am nagelkopfseitigen Bauteil ausgebildet wird. Dieser Materialkragen steht nur in Eintreibrichtung von dem nagelkopfseitigen Bauteil hervor. Entgegen der Eintreibrichtung erfolgt kein Ausbilden eines Materialkragens oder -aufwurfs, der beispielsweise das optimale Anliegen des Nagelkopfs am nagelkopfseitigen Bauteil behindern würde. Des Weiteren ermöglicht das obige Verfahren die Nutzung von Nägeln mit Nagelköpfen, die keine Material aufnehmende Ringnut an der Unterseite des Nagelkopfes auf- weisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird der Nagel ohne Ringnut derart eingetrieben, dass sich der Nagelkopf mit einer Ringfläche, die durch einen Ringinnenradius und einen Ringaußenradius definiert ist, auf dem nagelkopfseitigen Bauteil abstützt, deren Ringaußen- radius größer als ein Außenradius des Materialkragens ist. In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens ist es ebenfalls denkbar, den Ringinnenradius größer als den Außenradius des Materialkragens einzustellen oder den Ringinnenradius größer als einen Radius des Nagelschafts zu wählen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sind Material und Geometrie der aneinander zu befestigenden Bauteile sowie die Spaltbreite des Klebstoff enthaltenden Spalts zwischen den bei- den Bauteilen derart gewählt, dass sich der nur in Eintreibrichtung ausbildende Materialkragen des nagelkopfseitigen Bauteils am nagelkopfabgewandten Bauteil abstützt und den Spalt zwischen dem nagelkopfseitigen und dem nagelkopfabgewandten Bauteil überbrückt. Dadurch wird eine weitere Stabilisierung der Fügeverbindung erzielt. Zudem stellt in diese Ausführungsform auch der sich abstützende Materialkragen eine Aufrechterhaltung der Spaltbreite mit Klebstoff sicher, so dass der Klebstoff zwischen den beiden Bauteilen im an den Fügebereich angrenzenden Bereich nicht verdrängt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird zunächst der Klebstoff in einem lokal beschränkten Bereich auf zumindest eines der Bauteile aufgebracht. Nachfolgend erzielt man ein flächiges Verteilen des Klebstoffs zwischen dem nagelkopfseitigen und dem nagelkopfabgewandten Bauteil durch gezieltes Positionieren der Bauteile mit Hilfe der Spannvorrichtung. Dieses Positionieren verteilt die, beispielsweise als Raupe oder Wulst, aufgebrachten Klebstoffmengen, so dass hier kein aufwendiges

Klebstoffbeschichten zumindest eines Bauteils oder Klebstoffverteilen in einer vordefinierten Schichtdicke durchgeführt werden muss. Diese Verfahrensausgestaltung verkürzt somit das Fügeverfahren, ohne Einbußen in der Qualität der Verbindung hinnehmen zu müssen. Es ist zudem bevorzugt, dass beim Setzen des Nagels die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringt und über das nagelkopfabgewandte Bauteil hinaus austritt. Bei dieser Art der Verfahrensführung wird im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterförmiger Materialaufwurf gebildet, der nur in nagelkopfabgewandter Richtung vom nagelkopfabgewandten Bauteil vor- steht.

Der Nagelschaft, der zylindrisch oder auch in Richtung auf den Nagelkopf konvergierend oder divergierend ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise mit einer Oberflächenprofilierung versehen, die beim Fügevorgang mit verdrängtem Material gefüllt wird. Die Bauteile können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit oder ohne Faseranteil bestehen. Der Nagel wird vorzugsweise aus Stahl, insbesondere vergütetem Stahl hergestellt, kann jedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik oder faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch große Einfach- heit und extrem geringe Fügezeit aus, da ein Vorlochen der Bauteile nicht erforderlich ist und der Nagel ohne Drehbewegung in einem einzigen Fügevorgang mit hoher Geschwindigkeit in und durch die beiden Bauteile oder in und zumindest bis in das nagelkopfabgewandte Bauteil getrieben wird. Wie durch Versuche erhärtet wurde, zeichnet sich die auf diese Weise hergestellte Ver- bindung zwischen den beiden Bauteilen durch eine hohe Verbindungsqualität aus. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine zweiseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches bei ausreichend steifer Ausfuhrung des nagelkopfabgewandten Bauteils nicht erforderlich ist.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird ein Nagel in Form eines Heftbolzens verwendet, der einen Nagelkopf, einen Nagelschaft mit einer Sägezahnprofilierung und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nagelspitze das nagelkopfseitige Bauteil durch- dringt und in das nagelkopfabgewandte Bauteil eindringt und dass sich am na- gelkopfseitigen Bauteil nur ein Materialkragen ausbildet, der in nagelkopfab- gewandter Richtung, also in Eintreibrichtung, vom nagelkopfabgewandten Bauteil vorsteht. Im nagelkopfabgewandten Bauteil wird ein kraterfbrmiger Materialaufwurf gebildet, wenn der Nagel das nagelkopfabgewandte Bauteil zumindest teilweise durchdringt. Der kraterförmige Materialaufwurf steht in nagelkopfabgewandter Richtung vom nagelkopfabgewandten Bauteil vor. Vorzugsweise ist die Sägezahnprofilierung so gerichtet, dass sich jeder Sägezahn zur Nagelspitze hin verjüngt.

Mit dieser Ausfuhrungsform der Erfindung kann ein relativ dünnes Bauteil an einem relativ dickem Bauteil mittels eines Heftbolzens kleinster Abmessungen „angeheftet" werden. Hierbei ist eine vollständige oder auch nur teilweise Durchdringung des nagelkopfabgewandten Bauteils möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Anhand der Zeichnungen werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. IA eine teilweise geschnittene Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung; Fig. IB eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels;

Fig. IC eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Nagel in Fig. 1 ;

Fig. 3 eine mit III bezeichnete Einzelheit der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab;

Figuren 4 bis 8 der Fig. 2 entsprechende Längsschnitte abgewandelter Ausführungsformen des Nagels gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine mit IX bezeichnete Einzelheit der Fig. 8 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 10 eine Draufsicht auf den Nagelkopf des Nagels in Fig. 8;

Fig. 11 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausfüh- rungsform des Nagels gemäß der Erfindung,

Fig. 12 eine geschnittene Ansicht einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Nagels der Ver- bindung in Fig. 12. Die Fig. 1 zeigt eine fertige Verbindung zwischen einem Bauteil 2 und einem Bauteil 4 mittels eines Nagels 6a. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 2 ein dünnwandiges Bauteil in Form eines Bleches, und das Bauteil 4 ist ein Bauteil größerer Wandstärke, das beispielsweise ein Profil- bauteil ist. Es kann sich beispielsweise um Karosserieteile für den Fahrzeugbau handeln, wenngleich die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.

Die Bauteile 2, 4 können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit und ohne Faseranteil bestehen. Sie sind vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht, wie noch genauer erläutert wird. Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, besteht der Nagel 6a aus einem Nagelkopf 8, einem Nagelschaft 10a und einer Nagelspitze 12. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Nagel als Funktionsbolzen auszuführen, wie es in der DE 10 2007 017 590.8 beschrieben ist.

Der Nagelkopf 8 ist ein Flachkopf mit einer ebenen Oberseite 14, ei- ner zylindrischen Umfangsfläche 16 und einer ebenen Unterseite 20.

Der Nagelschaft 10a ist im Ausführungsbeispiel der Figuren 1, 2 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und in einem bestimmten Bereich seiner Oberfläche mit einer Oberflächenprofilierung 28a versehen. Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, besteht die Oberflächenprofilierung 10a im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Reihe von ringförmigen Vertiefungen 30 und

Erhöhungen 32. Die Oberflächenprofilierung 28a hat somit in Axialschnitten ein abgerundet wellenförmiges Profil, das im dargestellten Ausführungsbeispiel sinusförmig ausgebildet ist. Die in Fig. 3 mit Rl bezeichneten Radien der Vertiefungen 30 und Erhöhungen 32 sind daher identisch. Der Winkel α zwi- sehen den Flanken der Erhöhungen 32 liegt hierbei in der Größenordnung von

90°.

Wie dargestellt, hat die Oberflächenprofilierung 28a nur eine relativ geringe Tiefe. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Tiefe T der Oberflächenprofilierung 28a zum mittleren Schaftdurchmesser D kleiner als 0,1 und insbe- sondere kleiner als 0,05. Beispielsweise liegt dieses Verhältnis in der Größenordnung von 0,03. Die Nagelspitze 12 hat eine ogivale Oberfläche 34 mit einem abgerundeten Endpunkt 36. Der Ogivalitätsfaktor, d.h. das Verhältnis des Radius R2 zum Schaftdurchmesser D der ogivalen Oberfläche 34, liegt z. B. in der Größenordnung von 2 bis 6, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 und beträgt ins- besondere ungefähr 4.

Der Nagel 6a einschließlich Kopf, Schaft und Spitze ist rotationssymmetrisch ausgebildet, was auch für die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 bis 7 und 11 zutrifft.

Der Nagel 6a besteht vorzugsweise aus Stahl. Je nach Anwendung kann er jedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik, oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nagel 6a unbeschichtet; er kann jedoch auch beschichtet sein.

Wie dargestellt, ist der Nagel 6a einteilig ausgebildet. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Nagelkopf einerseits und den Nagel- schaft mit der Nagelspitze andererseits aus zwei Teilen unterschiedlicher Härte herzustellen, die anschließend miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise der Nagelschaft mit der Nagelspitze aus Metall und der Nagelkopf aus Aluminium hergestellt werden, die dann mittels Reibschweißen zusammengesetzt werden. Es wird nun das Verfahren zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten

Verbindung zwischen den Bauteilen 2 und 4 mittels des Nagels 6a beschrieben:

Nachdem die beiden Bauteile 2 und 4 in einer zu fügenden Anordnung zueinander ausgerichtet worden sind, wird Klebstoff 62 an zumindest einer Seite an einem der Bauteile 2, 4 aufgebracht. Diese beiden Schritte können in beliebiger Reihenfolge, also auch umgekehrt, durchgeführt werden. Diese mit Klebstoff 62 versehene Seite des einen Bauteils ist dem anderen Bauteil zugewandt, so dass der Klebstoff 62 während des Fügens (siehe unten) zwischen den Bauteilen 2, 4 angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls denkbar, den Klebstoff 62 auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Bauteile 2, 4 aufzubringen, um optimale Verbindungseigenschaften zu erzielen. Gemäß einer Ausfuhrungsform wird der Klebstoff 62 flächig, vorzugsweise vollflächig, auf zumindest eines der Bauteile 2, 4 aufgebracht. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Klebstoff 62 in lokal begrenzten Bereichen auf zumindest einer Seite eines oder beider Bauteile 2, 4 aufzubringen. Dies wird bei- spielsweise durch das Aufbringen einer Klebstoffraupe realisiert.

Nachfolgend werden die beiden Bauteile 2, 4 positioniert, beispielsweise indem sie mechanisch gegeneinander vorgespannt werden. Zum Positionieren oder Vorspannen setzt man eine externe Spannvorrichtung (nicht gezeigt) oder einen Niederhalter 44 ein. Über das Positionieren wird ein ge- wünschter Spalt zwischen den Bauteilen 2, 4 bzw. eine Beabstandung der Bauteile 2, 4 eingestellt. Gleichzeitig stellt das Einstellen einer definierten Spaltbreite sicher, dass der Klebstoff 62 aus den lokal begrenzten Bereichen gleichmäßig auf dem oder den Bauteilen verteilt wird. Somit befindet sich innerhalb des Spalts definierter Spaltbreite der zwischen den Bauteilen gleich- mäßig verteilte Klebstoff 62.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform bewirkt das Positionieren durch ein Zusammendrücken der Klebstoffschicht 62 ein Vorfixieren der Bauteile 2, 4 in der zu verbindenden Anordnung. Auch wenn die Klebstoffschicht 62 noch nicht ausgehärtet ist, haften die Bauteile 2, 4 nach dem Positionieren aneinander. Auf dieser Grundlage kann die Spannvorrichtung von den Bauteilen 2, 4 entfernt bzw. gelöst werden, ohne dass die eingestellte Positionierung der beiden Bauteile 2, 4 zueinander gestört wird. Wird beispielsweise die externe Spannvorrichtung von den Bauteilen 2, 4 entfernt, kann das nachfolgende Eintreiben der Nägel ohne lokale Einschränkungen durch die Spannvorrichtung durchgeführt werden. Dieses Vorgehen und diese Anordnung begünstigt gerade das Fügen der Nägel durch einen Roboter, der sich kontinuierlich über die Mehrzahl an Fügestellen bewegt. Dabei wird die Bewegung des Setzgeräts nämlich nicht durch eine Spannvorrichtung behindert.

Wie bereits erwähnt, sind die Bauteile 2 und 4 vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht. Wenn die beiden Bauteile 2 und 4 in zu verbindender Anordnung ausgerichtet sind, wird der Nagel 6a von einem Setzgerät mit hoher Ge- schwindigkeit von oben in die beiden Bauteile 2 und 4 eingetrieben. Die Setzgeschwindigkeit hängt vom Anwendungsfall ab und liegt z.B. zwischen 5 und 300 m/s, vorzugsweise 10 und 100 m/s.

Das Bolzensetzgerät ist beispielsweise ein Bolzenschussgerät, eine pulverkraftbetriebene Kartusche oder dergleichen. In Fig. 1 ist ein Kolben 42 eines derartigen Setzgerätes angedeutet. Ferner ist das Mundstück 44 eines im Übrigen nicht dargestellten Niederhalters zu sehen.

Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Fügestelle durchführbar. Wenn jedoch das Bauteil 4 keine ausreichende Steifigkeit hat, sollte ein Gegenhalter in Form einer Hülse

46 vorgesehen werden, an der die Bauteile 2, 4 abgestützt werden.

Beim Fügevorgang dringt zunächst die Nagelspitze 12 in das Bauteil 2 ein. Dabei bildet sich nur in Eintreibrichtung an der nagelkopfabgewandten Seite des Bauteils 2 ein Materialkragen 38 aus. Der Materialkragen 38 um- schließt den Nagelschaft 10 und stabilisiert auf diese Weise die hergestellte

Fügeverbindung zwischen den Bauteilen 2, 4. Zudem ragt der Materialkragen 38 in die Klebstoffschicht 62 hinein, wie es in den Figuren IA-C dargestellt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung stützt sich der Materialkragen 38 zusätzlich am gegenüberliegenden Bauteil 4 ab, wie es in den Figuren IA und B zu erkennen ist. Diese weitere Ausgestaltung des

Verfahrens unterstützt ebenfalls die Stabilität und Lebensdauer der hergestellten Fügeverbindung.

Nachdem die Nagelspitze 12 das Bauteil 2 durchdrungen hat, dringt es zumindest teilweise in das untere Bauteil 4 ein (nicht gezeigt) oder durchdringt dieses vollständig (vgl. Fig. 1 A-C). Dies führt einerseits zu einem kraterför- migen Materialaufwurf 40, der beim Durchdringen der Nagelspitze 12 in Eintreibrichtung größer wird. Andererseits fließt Material in die Oberflächenprofi- lierung 28a, wodurch die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a vollständig mit Material 4 ausgefüllt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Material des Bauteils 4. Unter Umständen lässt sich jedoch nicht vermei- den, dass sich die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a zumindest teilweise mit Material des Bauteils 2 füllen.

Der Fügevorgang ist beendet, wenn der Nagelkopf 8 mit seiner Unterseite an der Oberseite des Bauteils 2 aufliegt. Der Nagelkopf 8 ist so ausgebil- det, dass er eine gewisse Flexibilität hat, um Spaltbildung unter dem Nagelkopf zu vermeiden und leichte Schiefstellungen des Nagels ausgleichen zu können. Wenn sich der Setzstempel 42 vom Nagelkopf 8 löst, federt der Nagel 6a geringfügig zurück. Hierdurch werden die Bauteile 2, 4 miteinander verspannt, was der Verbindungsqualität zugute kommt. Vor dem Eintreiben des Nagels 6 in die Bauteile 2, 4 wird der Klebstoff 62 gleichmäßig auf zumindest einem der Bauteile 2, 4 verteilt (siehe o- ben). Während und nach dem Eintreiben der Nägel 6 mit hoher Geschwindigkeit hat sich erstaunlicher Weise gezeigt, dass die Dicke der Klebstoffschicht 62 trotz des Eintreibens des Nagels 6 erhalten bleibt. Dies gilt im Speziellen für den Bereich nahe der Fügezone, wo der Nagel 6 in die beiden Bauteile 2, 4 eindringt und der Materialkragen 38 entsteht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren wird der Klebstoff 62 nicht aus dem Bereich angrenzend an die Fügezone verdrängt, so dass beispielsweise eine Klebstoffanhäufung zwischen zwei Fügestellen entsteht. Außerdem gewährleistet diese Besonderheit des Verfahrens ein verlässliches flächiges Verbinden der Bauteile 2, 4 aneinander über die Klebstoffschicht 62. Die in den Figuren 1 B und C vergrößerte dargestellte Verbindung wird mit Dicken der Klebstoffschicht 62 von größer oder gleich 0, 1 mm erzielt. Vorzugsweise bewegt sich die Dicke der Klebstoffschicht 62 in einem Bereich von 0, 1 mm bis einschließlich 5 mm, während sich in einer Aus führungs form des Verfahrens die Dicke ab 0, 3 mm der Klebstoffschicht 62 besonders vorteilhaft auswirkt, da sich hier Materialkragen 38 und Klebstoffschicht 62 stabilisierend ergänzen.

Wie dargestellt, ist die Oberflächenprofilierung 28a nur in demjenigen Bereich des Nagelschaftes 10a vorgesehen, der sich bei der fertigen Verbin- düng innerhalb des Werkstoffes des Bauteils 4 befindet. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung hoher Auszugsfestigkeit, da die Bauteile 2, 4 einerseits durch Kraft- und Formschluss zwischen Nagelschaft 10a und Bauteil 4 und andererseits durch Formschluss zwischen Nagelkopf 8 und Bauteil 2 miteinander verspannt werden. Wie dargestellt, bleiben die Bauteile 2 und 4 in der Trennebene im Wesentlichen unverformt, so dass die Ebenheit der Anlageflächen der Bauteile 2 und 4 erhalten bleibt. Wie ferner in Fig. 1 zu sehen ist, ragt die

Nagelspitze 12 im Wesentlichen vollständig aus dem Bauteil 4 vor.

Wie ohne weiteres ersichtlich, ist für den Fügevorgang eine Zugänglichkeit nur von der Oberseite her erforderlich. Der Fügevorgang ist extrem einfach, da weder ein Vorlochen der Bauteile 2, 4 noch eine Drehbewegung des Nagels 6a erforderlich ist. Die Fügezeit ist äußerst gering. Außerdem sind nur vergleichsweise geringe Fügekräfte erforderlich. Dennoch ergibt sich eine hohe Verbindungsqualität mit entsprechend hoher Auszugsfestigkeit.

Wie sich ferner gezeigt hat, führt die abgerundete Form der Oberflä- chenprofilierung 28a zu vergleichsweise geringen Spannungen in der Verbin- düng zwischen den Bauteilen 2, 4 und dem Nagel 6a, was zu der Verbindungsqualität entsprechend beiträgt.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, erstreckt sich die Oberfläche des Nagelkopfes 8 bis nahezu zum äußeren Rand (Umfangsfläche 16) des Nagelkopfes 8. Zwischen der eben ausgebildeten Oberseite 14 und der Umfangsfläche 16 ist nur eine relativ kleine Rundung oder Fase 18 vorgesehen, so dass der Kolben

42 am Nagelkopf 8 im Wesentlichen über dessen gesamte Breite angreift. Wenn die Bolzenspitze 12 in die Bauteile 2, 4 eindringt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 übertragen, so dass im zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 entspre- chend hohe Spannungen entstehen. Wenn am Ende des Setzvorgangs der Nagelkopf 8 auf der Oberseite des Bauteils 2 aufsetzt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den radial äußeren Bereich des Nagelkopfes 8 und von da über die Außenfläche der Unterseite 20 auf die Bauteile 2, 4 übertragen, während der zentrale Bereich des Nagelkopfes 8 druckentlastet wird. Daher wird der Nagel 6 vorzugsweise derart eingetrieben, dass zwischen Nagel

6 und Bauteil 2 ein geringer Freiraum im Übergangsbereich von der Unterseite des Nagelkopfs 8 zum Nagelschaft 10 entsteht (vgl. Fig. IA-C). Dies gewährleistet, dass der Nagelkopf 8 über eine Ringfläche auf der Oberseite des Bauteils 2 aufliegt. Der Ringaußenradius der Ringfläche ist durch den Außenradius des Nagelkopfs 8 bestimmt. Der Ringinnenradius der Ringfläche wird minimal durch den Radius des Nagelschafts 10 vorgegeben. Vorzugsweise wird über die Eintreibkraft des Nagels 6 der Ringinnenradius der Ringfläche derart eingestellt, dass er größer oder gleich dem Außenradius des Materialkragens 38 ist. Sieht man entgegen der Eintreibrichtung auf die Nagelspitze 12, überdecken sich in gedachten Schnittbildern quer zur Eintreibrichtung dadurch die abstützende Ringfläche des Nagelkopfs 8 und die Ringfläche des Materialkragens 38 nicht. Somit wird durch die gezielte Einstellung der Größe der Ringfläche sichergestellt, dass die vom Kolben 42 ausgeübten Setzkräfte nicht in den Nagelschaft 10a eingeleitet werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass es zu einem „Durchschlag" beim Aufsetzen des Nagels 6a auf dem Bauteil 2 kommt, selbst wenn der Setzvorgang mit Energieüberschuss betrieben wurde.

Bei einem so genannten „Durchschlag" dringt der Nagelkopf 8 in das Bauteil 2 ein, und außerdem entsteht ein Spalt zwischen der Oberflächenpro filierung 28a des Nagelschaftes 10a und dem Loch des Bauteils 4.

Der Niederhalter 44 dient in erster Linie dazu, die Bauteile 2 und 4 vor und während des Setzvorganges in Anlage gegeneinander zu drücken.

Hierzu reichen im Allgemeinen Niederhalterkräfte kleiner 3 kN aus. Höhere Niederhalterkräfte zum Beeinflussen der Materialeigenschaften der Bauteile 2 und 4 sind im Allgemeinen nicht erforderlich.

Der Gegenhalter in Form der Hülse 46 ist, wie bereits erwähnt, nur dann erforderlich, wenn die Steifigkeit des Bauteils 4 nicht ausreichend ist.

Anhand der Figuren 2 bis 10 werden nun verschiedene Ausführungsformen des Nagels beschrieben, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden können.

Der Nagel 6b der Fig. 4 unterscheidet sich von dem Nagel 6a der Fig. 2 lediglich dadurch, dass zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Ober- flächenprofilierung 28b versehenen Teil des Nagelschaftes 10b ein zylindri- scher Abschnitt 48 vorgesehen ist, wodurch der Nagelschaft 10b eine entsprechend größere Länge erhält. Der längere Nagelschaft 10b begünstigt die Entspannungsphase nach dem Eindringen der Nagelspitze in die Bauteile, wodurch Verformungen der Bauteile reduziert werden. Der Nagel 6c der Fig. 5 unterscheidet sich von dem Nagel 6a der Fig.

2 lediglich dadurch, dass der Nagelschaft 10a eine im Wesentlichen konische Form hat, die von der Nagelspitze 12 aus in Richtung auf den Nagelkopf 8 konvergiert. Die Oberflächenprofilierung 28c ist hierbei an die konische Form des Nagelschaftes 10c so angepasst, dass ihre Tiefe im Wesentlichen konstant bleibt. Durch diese „Taillierung" des Nagelschaftes 10c lässt sich eine höhere

Auszugsfestigkeit der Verbindung erreichen..

Bei dem Nagel 6d der Fig. 6 ist der Nagelschaft 10d mit der Oberflächenprofilierung 28d ebenfalls im Wesentlichen konisch ausgebildet, jedoch so, dass er von der Nagelspitze 12 in Richtung auf den Nagelkopf 8 divergie- rend verläuft. Hierdurch wird eine spannungsgünstige Anordnung und ein besseres Hinterfliesen der Oberflächenprofilierung 28d erreicht.

Der Nagel 6e der Fig. 7 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Nagelschaft 10e mit einer Oberflächenprofilierung 28e, die in Längsschnitten sä- gezahnförmig ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich eine höhere Auszugsfes- tigkeit erzielen, die allerdings durch höhere Spannungen in der Verbindung erkauft werden muss.

Der Nagel 6f der Figuren 8 bis 10 ist mit einer Oberflächenprofilierung 28f in Form eines Gewindes versehen. Das Gewinde, das in Fig. 9 vergrößert dargestellt ist, ist als Feinstgewinde ausgebildet, dessen Steigung vor- zugsweise kleiner als 3,5 ist und z.B. in der Größenordnung von 0,25 liegt.

Die übrigen Fügeparameter in Verbindung mit der Ausbildung der Oberflächenprofilierung 28f werden so gewählt, dass der Nagel 6f beim Fügevorgang durch die beiden Bauteile 2, 4 getrieben wird, ohne dass der Nagel 6f eine merkliche Drehbewegung ausführt. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen füllen sich hierbei die Gewindegänge der Oberflächenprofilierung 28f mit plastifiziertem Material. Hierbei wird zu den Bauteilen 2, 4 ein Gegengewinde gebildet. Der Nagel 6f kann daher nach dem Setzvorgang wieder aus den beiden Bauteilen 2, 4 gelöst werden. Zu diesem Zweck ist der Nagelkopf 8f mit einem Antriebsmerkmal 46 versehen, so dass der Nagel 6f mit Hilfe eines Werkzeuges (nicht gezeigt) aus den Bauteilen herausgeschraubt werden kann.

Der Nagel 6g der Fig. 11 entspricht im Wesentlichen dem Nagel 6b der Fig. 4, d.h. er besitzt einen Nagelkopf 8g, einen Nagelschaft 10g mit einer Oberflächenprofilierung 28g, eine Nagelspitze 12 sowie einen nicht profilierten Abschnitt 50, der zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Oberflä- chenprofilierung 28g versehenen Teil des Nagelschaftes 10g angeordnet ist. Im

Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 hat jedoch der profilfreie Abschnitt 50 eine verjüngte Form, d.h. sein Durchmesser ist kleiner als der maximale Durchmesser der Nagelspitze 12 und als der Durchmesser des mit der Oberflächenprofilierung 28g versehenen Teils des Nagelschaftes. Im dar- gestellten Ausführungsbeispiel ist der durchmesserverringerte Abschnitt 50 zylindrisch ausgebildet; grundsätzlich könnte er jedoch auch eine andere geometrische Form haben.

Aufgrund der Durchmesserverringerung des Abschnittes 50 entsteht beim Eindringen des Nagels 8g in die Bauteile 2, 4 eine Druckentlastung, so- bald die Nagelspitze 12 vollständig in das Material der Bauteile eingedrungen ist. Diese Druckentlastung begünstigt eine geringere Verformung der Bauteile 2, 4 und dadurch höhere Verbindungsfertigkeiten.

Ein wichtiger Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass eine nur sehr geringe Setzdauer zum Setzen eines Nagels erforderlich ist. Ferner kann das Verfahren, wie bereits ausführlich erläutert, ohne Vorlochen und bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile durchgeführt werden. Diese vorteilhaften Eigenschaften machen das beschriebene Verfahren besonders geeignet für ein „kontinuierliches Nageln", wie im Folgenden erläutert wird:

Häufig müssen zwei Bauteile an mehreren zueinander beabstandet en Fügestellen, beispielsweise entlang von Fügeflanschen, miteinander verbunden werden. Bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren wird dann das Setz- gerät von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt. An jeder Fügestelle wird das Setzgerät zunächst abgebremst, der Fügevorgang durchgeführt und das Setzgerät wieder beschleunigt. Dies führt naturgemäß zu vergleichsweise langen Taktzeiten. So erfordern die Fügetechniken Stanznieten, Clinchen, Blindnieten und das Nageln mittels dem eingangs beschriebenen

FDS-Verfahren Taktzeiten von 2-7s, 2-6,5s, 3-7,5s bzw. 3-8s.

Im Gegensatz zu dem beschriebenen diskontinuierlichen Fügen der Bauteile an den Fügestellen erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein „kontinuierliches Fügen". Genauer gesagt, erfolgt die vom Roboter erzeugte Bewe- gung des Setzgerätes von Fügestelle zu Fügestelle kontinuierlich, wobei während dieser Zustellbewegung die Nägel nach dem oben beschriebenen Verfahren gesetzt werden. Die Bauteile werden zweckmäßigerweise beim kontinuierlichen Ablauf dieser Fügevorgänge von entsprechenden Spannvorrichtungen in der richtigen Position zueinander gehalten. Voraussetzung ist lediglich, dass die Fügestellen für das Setzgerät zugänglich sind. Dies ist häufig der Fall, wenn sich die Fügestellen an Fügeflanschen befinden.

Das kontinuierliche Nageln wird dadurch erleichtert, dass zum Setzen der Nägel nach dem beschriebenen Verfahren eine präzise Ansteuerung der Fügestellen im allgemeinen nicht erforderlich ist. Die vom Roboter durchge- führte Zustellbewegung des Setzgerätes kann berührungslos erfolgen. Statt dessen kann jedoch ein am Setzgerät vorgesehenes Mundstück (Niederhalter 44 in Fig. 1) am oberen Bauteil 2 anliegen.

In jedem Fall ergibt sich eine beträchtliche Reduzierung der Taktzeiten, da keine Brems- und Beschleunigungsvorgänge des Roboters erforderlich sind und zudem kürzere Setzzeiten als bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren erzielt werden. So sind mit dem beschriebenen Verfahren Taktzeiten in der Größenordnung von 1,5 -3 s möglich, was eine Taktzeitreduzierung von ca. 50% ausmacht.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, ist es zweckmä- ßig, die zu verbindenden Bauteile 2, 4 während des Bolzensetzens mittels eines

Niederhalters zusammenzudrücken, wobei Niederhalterkräfte in einer Größen- Ordnung bis zu 20 kN denkbar sind. Der Niederhalter bildet üblicherweise Teil des Setzgerätes. Ein kontinuierliches Nageln, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist dann bei Verwendung eines Niederhalters nicht möglich. Statt eines Niederhalters kann jedoch auch ein stationärer Spannmechanismus (nicht ge- zeigt) vorgesehen werden, der unabhängig von dem Setzgerät und an Stellen außerhalb der Fügebereiche die beiden Bauteile mit einer entsprechenden Kraft gegeneinander drückt. In diesem Fall ist dann ein kontinuierliches Nageln möglich, bei dem das Setzgerät berührungsfrei verfahren wird, wobei nur ein Treibdorn des Setzgerätes über den Nagel Kontakt zu den zu verbindenden Bauteilen hat und das Mundstück des Setzgerätes somit gewissermaßen

„schwebend" über das nagelkopfseitige Bauteil bewegt wird.

Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform (nicht gezeigt) eines erfindungsgemäß ausgebildeten Nagels 6 ähnlich Fig. 7 ist dessen Nagelkopf als Senkkopf ausgebildet. Der Nagelkopf des Nagels 6 hat an seiner Unterseite ei- nen schräg verlaufenden Abschnitt. Der schräg verlaufende Abschnitt ist vorzugsweise geringfügig gewölbt, um für eine gleichmäßige Kraftverteilung zwischen dem Nagelkopf 8 und der Oberseite des Bauteils 2 zu sorgen. Im Übrigen hat der als Senkkopf ausgebildete Nagelkopf 8 eine deutlich geringere Dicke als die Nagelköpfe der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Aufgrund der beschriebenen Geometrie dringt der Senkkopf des Nagels 6 zumindest teilweise in die Oberseite des Bauteils 2 ein. Genauer gesagt, verformt der Nagelkopf 8 das obere Bauteil 2 so, dass eine trichterartige Mulde gebildet wird, die den Nagelkopf 8h weitgehend aufnimmt. Außerdem werden die Bauteile 2, 4 im Fügebereich, d.h. unterhalb des Senkkopfes nach unten verformt, so dass sich wiederum innerhalb der Klebstoffschicht 62 der Materialkragen 38 ausbildet.

Die Figuren 12, 13 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Nagel 6i als „Heftbolzen" ausgebildet ist. Er dient dazu, ein relativ dünnes Bauteil 2 an einem dickeren Bauteil 4 „anzuheften". Hierbei wird das Bauteil 2 durch einen oder mehrere Heftbolzen an dem Bauteil 4 angeheftet, damit die Klebstoffschicht 62 aushärten kann. Der als Heftbolzen ausgebildete Nagel 6i hat einen Nagelkopf 8 entsprechend den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 8. Der Schaft 1Oi des Nagels 6i ist so ausgebildet, dass sich an den Nagelkopf 8 ein zylindrischer Abschnitt 56 anschließt, der in einen sich konisch verjüngenden Schaf- tabschnitt mit einer Sägezahnprofilierung 28i übergeht. Die Sägezahnprofilie- rung 28i ist so gerichtet, dass sich jeder Zahn in Richtung auf die Nagelspitze 12i verjüngt, so dass an der dem Nagelkopf 8 zugewandten Seite jedes Zahnes eine radial verlaufende Schulterfläche gebildet wird. Die sich an die Sägezahnprofilierung 28i anschließende Nagelspitze 12i setzt sich aus einem kegel- stumpfförmigen Abschnitt 58 und einem kegelspitzenförmigen Abschnitt 60 zusammen, wobei der Kegelwinkel des Abschnittes 58 geringer als der Kegelwinkel des Abschnittes 60 ist.

Wenngleich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Nagelspitze 12i sich aus den beiden Abschnitten 58, 60 unterschiedlichen Kegelwinkels zusammensetzt, kann die Nagelspitze auch auf andere Weise, beispielsweise als ogivale Nagelspitze entsprechend den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgebildet werden. Wichtig ist die Konizität der Nagelspitze und des Nagelschaftes im Bereich der Sägezahnprofilierung 28i.

In Fig. 12 sind wiederum, ähnlich wie in Fig. 1, ein Niederhalter 44 und ein Gegenhalter in Form einer Hülse 46 angedeutet.

Der als Heftbolzen ausgebildete Nagel 6i hat deutlich kleinere Abmessungen als die vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung. So hat der Heftbolzen beispielsweise eine Länge in der Größenordnung von 6 mm. Aufgrund der geschilderten Ausbildung des Nagelschaftes 10i und der Nagel- spitze 12i hat eine gedachte Umhüllende der Sägezahnprofilierung 28i in Verbindung mit dem Umriss der Nagelspitze 12i eine Form, die in Axialschnitten ungefähr an die Form einer Parabel angenähert ist.

Die Geometrie des Nagelschaftes 10i und der Nagelspitze 12i und insbesondere die Ausrichtung der Oberflächenprofilierung 28i stellen sicher, dass der Nagel 6i von dem Kolben 42 (Treibdorn) des im Übrigen nicht dargestellten Setzgerätes mit vergleichsweise geringer Eintreibkraft in die Bauteile 2, 4 eingetrieben werden kann, während der Auszugswiderstand entgegen der Eintreibrichtung aufgrund der schulterförmigen Flächen zwischen den Zähnen der Sägezahnprofilierung 28i vergleichsweise hoch ist. Ein wesentlicher Vorteil des als Heftbolzens ausgebildeten Nagels 6i besteht darin, dass er bei dem „Heftvorgang" die Klebstoffschicht 62 praktisch nicht beeinflusst. Wie sich bei

Versuchen gezeigt hat, ist die Dicke der Klebstoffschicht 62 vor und nach dem Heftvorgang gleich.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Verbindung steht der Nagelkopf 12i weitgehend über den kraterförmigen Materialaufwurf 40 des Bauteils 4 vor. Vorzugsweise werden jedoch der Nagel 6i und die Bauteile 2, 4 so dimensioniert, dass das freie Ende der Nagelspitze 12i nur geringfügig oder überhaupt nicht aus dem Bauteil 4 vorsteht. Denkbar ist auch eine Lösung, bei der das freie Ende der Nagelspitze 12i gerade mit dem unteren Ende des Materialaufwurfes 40 abschließt. Wie bereits erwähnt, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass der Nagel mit einem einzigen Schlag des Bolzensetzgerätes in die beiden Bauteile 2, 4 eingetrieben werden kann, so dass der Nagelkopf am nagelkopfseitigen Bauteil aufliegt. Dies gilt für alle dargestellten Ausführungsformen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Setzvorgang so durchzuführen, dass der Nagel durch einen vom Setzgerät ausgeübten Schlag nicht ganz bis zur Kopfanlage in die Bauteile eingetrieben wird, sondern nur beispielsweise 80 bis 90 % des maximal möglichen Eindringweges. Das weitere Eintreiben des Nagels bis zur Kopfanlage kann dann mit einem oder mehreren weiteren Schlägen erfolgen. Diese weiteren Schläge können entweder manuell mittels eines Hammers, beispielsweise über einen

Treibdorn, oder auch maschinell durchgeführt werden. Wie durch Versuche festgestellt wurde, hat dieses „mehrstufige" Bolzensetzen keinen negativen Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung, was sowohl für Bauteile aus Aluminium wie auch für Bauteile aus Stahl gilt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung sowie Nagel hierfürAnsprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) in einem Fügebereich mittels eines Nagels (6), der einen Nagelkopf (8), einen Nagelschaft (10) und eine Nagelspitze (12) aufweist, das die folgenden Schritte aufweist:

a. Aufbringen von Klebstoff auf zumindest eines der Bauteile (2, 4), so dass der Klebstoff zwischen den zwei Bauteilen (2, 4) angeordnet ist,

b. Anordnen der Bauteile (2, 4) beabstandet voneinander,

c. Positionieren der Bauteile (2, 4) mit Hilfe einer Spannvorrichtung derart, dass gleichzeitig eine vorgegebene Spaltbreite eines Spalts zwischen den zwei Bauteilen (2, 4) eingestellt wird,

d. Eintreiben des Nagels (6) mit Hilfe eines Setzgeräts mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile (2, 4) im Wesentlichen drehungsfrei axial derart, dass

eine feste Verbindung zwischen den zwei Bauteilen (2, 4) ent- steht,

die Nagelspitze (12) das nagelkopfseitige Bauteil (2) durchdringt und zumindest in das nagelkop fabgewandte Bauteil (4) eindringt und im nagelkopfseitigen Bauteil (2) nur ein Materialkragen (38) gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vom nagelkopfseitigen Bauteil (2) vorsteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die zwei Bauteile (2, 4) derart verbunden werden, dass eine Schichtdicke des Klebstoffs zwischen den zwei Bauteilen (2, 4) angrenzend an den Fügebereich annähernd konstant bleibt.

3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Nagel (6) ohne Ringnut derart eingetrieben wird, dass sich der Nagelkopf mit einer Ringfläche, die durch einen Ringinnenradius und einen Ringaußenradius definiert ist, auf dem nagelkopfseitigen Bauteil abstützt, deren Ringinnenradius größer ist als ein Außenradius des Materialkragens (38).

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, in dem der Ringinnenradius größer als der

Außenradius des Materialkragens (38) oder größer als ein Radius des Nagelschafts (10) ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich der Materialkragen (38) am na- gelkop fabgewandten Bauteil (4) abstützt und den Spalt zwischen dem nagelkopfseitigen (2) und dem nagelkopfabgewandten Bauteil (4) überbrückt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, das die weiteren Schritte aufweist: Aufbrin- gen des Klebstoffs in einem lokal beschränkten Bereich auf zumindest eines der Bauteile (2, 4) und flächiges Verteilen des Klebstoffs zwischen dem nagelkopfseitigen (2) und dem nagelkopfabgewandten Bauteil (4) durch Vorspannen der Bauteile (2, 4) mit Hilfe der Spannvorrichtung.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Setzen die Nagelspitze (12) beide Bauteile (2, 4) vollständig durchdringend über das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) hinaus austritt, so dass im na- gelkopfabgewandten Bauteil (4) ein kraterförmiger Materialaufwurf (40) gebildet wird, der, vorzugsweise nur, in nagelkopfabgewandter Richtung vom nagelkopfabgewandten Bauteil (4) vorsteht.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a, b, e, f) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10c) in Richtung auf den Nagelkopf (8) konvergierend ausgebildet ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft ( 1 Od) in Richtung auf den Nagelkopf (8) divergierend ausgebildet ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a-f) mit einer Oberflächenprofilie- rung (28a-f) versehen ist, die sich beim Herstellen der Verbindung mit verdrängtem Material füllt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- flächenprofilierung (28a-f) nur in einem Bereich des Nagelschaftes (10a-f) angeordnet ist, der in der fertigen Verbindung innerhalb des nagelkopfabgewandten Bauteils (4) liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Tiefe (T) der Oberflächenprofilierung (28a-f) zu dem mittleren Durchmesser (D) des Nagelschaftes (10a-f) kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05 und insbesondere kleiner als 0,03 ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a-d) in Axialschnitten aus einem abgerundet wellenförmigen Profil besteht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28e) in Axialschnitten aus einem Sägezahnprofil besteht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a-e) von einer Reihe kreisförmiger Vertiefungen (30) und Erhöhungen (32) gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28) von einem Gewinde gebildet wird, das beim axialen Eintreiben des Nagels in die beiden Bauteile (2, 4) ein entsprechendes Gegengewinde bildet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des von der Oberflächenprofilierung (28f) gebildeten Gewindes kleiner als

0,35 ist und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,25 liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (8f) ein Antriebsmerkmal (46) für das Angreifen eines Werk- zeuges hat, um den Nagel (6f) aus den beiden Bauteilen (2, 4) wieder lösen zu können.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenprofilierung (28d; 28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10d; 10g) und der Nagelspitze (12) ein profilfreier Abschnitt (48; 50) vorgesehen ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenpro filierung (28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10g) und der Nagelspitze (12) ein durchmesserverringerter Abschnitt (50) vorgesehen ist.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (14) des Nagelkopfes (8) im Wesentlichen bis zu dessen äußerem Rand eben ist, um in der Endlage des Nagels die auf den Nagelkopf (8) wirkenden Setzkräfte weitgehend auf das nagel- kopfseitige Bauteil (2) zu übertragen und dadurch einen Durchschlag des Nagels durch die beiden Bauteile zu vermeiden.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Nagelspitze (12) eine ogivale Form mit einem Ogi- valitätsfaktor von 3 bis 5, insbesondere 4 hat.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6a- f) einteilig aus Stahl oder Aluminium oder Magnesium oder Messing oder Keramik oder einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn-zeichnet, dass der Schaft und Kopf des Nagels aus unterschiedlich harten Werkstof- fen hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nagelkopfseitige Bauteil (2) ein relativ dünnes Blech und das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) ein Profilbauteil größerer Dicke ist.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 4) aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kunststoff bestehen.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (8h) als Senkkopf ausgebildet ist, dessen Unterseite einen schräg verlaufenden Abschnitt (52) aufweist, so dass der Senkkopf zumindest teilweise in das Material des nagelkopfseitigen Bauteils (2) eindringt.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 4) während des Setzvorganges durch einen am Setzgerät vorgesehenen Niederhalter (44) oder einen vom Setzgerät unabhängigen Spannmechanismus gegeneinander vorgespannt werden.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6, 6a-i) mit einem einzigen Schlag des Setzgerätes in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6, 6a-i) mit einem Schlag des Setzgerätes weitgehend in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird und mit einem oder mehreren weiteren Schlägen, die manuell oder maschinell ausgeführt werden, vollständig in die beiden Bauteile eingetrieben wird.

32. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt: Bereitstellen eines Nagelschafts (10) mit einer Sägezahnprofilierung (28i), die vorzugsweise derart ausgerichtet ist, dass sich jeder Sägezahn zur Nagelspitze (12i) hin verjüngt.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllende der Sägezahnprofilierung (28i) und der Umriss der Nagelspitze (12i) zusammen in Axialschnitten einen ungefähr parabelfÖrmigen Verlauf haben.

34. Verfahren zum Herstellen mehrerer Verbindungen zwischen zwei Bauteilen an zueinander beabstandeten Fügestellen, bei dem ein Setzgerät zum Setzen von Nägeln von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Roboter hervorgeru- fene Bewegung des Setzgeräts zu den Fügestellen kontinuierlich erfolgt und bei dieser kontinuierlichen Bewegung die Nägel mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in die beiden Bauteile eingetrieben werden.

35. Nagel zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher aufweist: einen Nagelkopf (8; 8f) ohne Ringnut, einen Nagelschaft (10a-f) und eine Nagelspitze (12), von denen der Nagelschaft (10a-f) mit einer Oberflächenprofi- lierung (28a-f) zur Aufnahme von Material des nagelkopfabgewandten Bauteils (4) versehen ist und die Nagelspitze (12) eine ogivale Form mit einem Ogivalitätsfaktor von 3 bis 5 hat.