Verbindungsverfahren

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens zwei Bauteilen, insbesondere einen Setzbolzen, eine Verbindungsstruktur aus mindestens einem ersten und einem zweiten Bauteil, die mittels des Fügeelements verbunden sind, sowie ein Verfahren zum Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels des Fügeelements.

2. Hintergrund der Erfindung

Fügeelemente zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen umfassen üblicher- weise einen Kopf, einen Schaft sowie eine Spitze. Der spezifische Aufbau des Fügeelements hängt von dem gewünschten Einsatzgebiet ab, so dass Fügeelemente im Stand der Technik in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen bekannt sind.

So beschreibt DE 102006 002238 A1 die Verwendung eines Nagels als Fügeelement. Der Nagel wird mit hoher Geschwindigkeit durch die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile so eingetrieben, dass die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringt und im nagelkopfseiti- gen Bauteil ein wulstförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in eine Ringnut des Nagelkop- fes vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterformiger Materialaufwurf gebildet wird, der in entgegengesetzter Richtung vorsteht. Ein Schweißhilfsfügeteil zum Verbinden von Bauteilen ist in DE 102012010 870 A1 beschrie- ben. Das Schweißhilfsfügeteil wird in Form eines Bolzens mit einem Kopf, einem Schaft und einer Spitze offenbart, wobei die Spitze beispielsweise ogival ausgestaltet sein kann.

Weitere Fügeelemente mit ogivalen Spitzen zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen sind in WO 2007/043985 A1 und US 5,658,109 A1 beschrieben.

Generell ist die Verwendung von ogivalen Spitzen sowohl bei Fügeelementen als auch bei Befestigungselementen bekannt. Im Unterschied zu Fügeelementen, die zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens zwei Bauteilen geeignet sind, werden Befestigungselemente in einem Bauteil befestigt. Da die Spitze der Fügeelemente im Rahmen des Herstellens der Verbin- dung üblicherweise die im Fügebereich nicht vorgelochten miteinander zu verbindenden Bautei- le durchdringen soll, muss dies bei der Gestaltung der Fügeelemente berücksichtigt werden. Befestigungselemente haben im Hinblick auf die Gestaltung nicht zum Ziel, die Bauteile zu durchdringen, sondern sind angepasst, um in ein Bauteil einzudringen.

Der Vollständigkeit halber findet sich ein Beispiel für ein entsprechendes Befestigungselement in US 2,751,808 A1. Das hier beschriebene Befestigungselement weist eine ogivale Spitze auf, die kugelförmig abgestumpft ist.

Ein Nachteil der oben diskutierten Fügeelemente, wie auch der Befestigungselemente, wird ersichtlich, wenn eines der miteinander zu verbindenden Bauteile aus hoch- oder höchstfestem Stahl besteht, beispielsweise aus presshartem Stahl. Wird ein solcher Stahl beispielsweise für das untere Bauteil, d.h. als kopfabgewandtes Bauteil, verwendet, kommt es bei Verwendung der oben erläuterten Fügeelemente und Befestigungselemente, zu einer unerwünschten Deformation der Spitze der Elemente und/oder zu einem Bruch im Element. Somit versagt die bekannte Geometrie der Fügeelemente und der Befestigungselemente beim Setzen in ein im Fügebereich nicht vorgelochtes Bauteil aus hoch- oder höchstfestem Stahl, wobei die Spitze des Elements beide Bauteile vollständig durchdringen soll.

Um diesen besonderen Anforderungen an das Setzen in ein Bauteil aus hoch- oder höchstfestem Stahl gerecht zu werden, beschreibt DE 102014019 322 A1 die Verwendung eines Fügeele- ments mit einem zugespitzten Bereich und einem Schaftbereich, deren Eigenschaften sich unterscheiden, wobei das Verbindungselement einstückig ausgebildet ist. Der zugespitzte Bereich weist eine höhere Festigkeit auf als der Schaftbereich, so dass der zugespitzte Bereich auch ultrahochfeste Stähle ohne eine plastische Verformung des zugespitzten Bereichs durch- dringen kann.

Ein Nachteil dieser Gestaltung ist jedoch die unerwünschte Bildung eines Butzens beim Setzen in den hoch- oder höchstfesten Stahl.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein im Vergleich zum Stand der Technik optimiertes Fügeelement bereitzustellen, mit dem ohne Versagen des Fügeelements, d.h. Defor- mation des Spitzenbereichs und/oder Bruch des Fügeelements, ein Setzen in ein Bauteil aus hoch- oder höchstfestem Stahl auch ohne Abtrennung eines Butzens möglich ist.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Fügeelement zum Herstellen einer Verbindung zwi- schen mindestens zwei Bauteilen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, eine Verbin- dungsstruktur gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren zum Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil gemäß dem unabhängigen Patentan- spruch 13. Vorteilhafte Ausführungsfomien und Weiterentwicklungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den anhängigen Patentansprüchen.

Ein erfindungsgemäßes Fügeelement zum Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens zwei Bauteilen, insbesondere ein Setzbolzen, umfasst einen Kopf an einem ersten axialen Ende, eine Spitze an einem dem ersten axialen Ende gegenüberliegenden zweiten axialen Ende sowie einen zwischen der Spitze und dem Kopf angeordneten Schaft, der eine Längsachse des Fü- geelements zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende definiert, wobei die Spitze im Querschnitt entlang der Längsachse einen in Bezug auf die Längsachse spiegelsymmetrischen kreisförmigen Bereich mit einem ersten Radius r ₁ benachbart zum Schaft aufweist, dessen Mittelpunkt auf einer Senkrechten zu der Längsachse des Fügeelements liegt, so dass die Spitze im kreisförmigen Bereich spitzbogenförmig zum zweiten axialen Ende zuläuft, und die Spitze weist einen konvexen kreisförmigen Endbereich mit einem zweiten Radius r ₂ im Anschluss an den kreisförmigen Bereich auf, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse des Fügeelements benachbart zum zweiten axialen Ende angeordnet ist, wobei für ein Verhältnis zwischen dem ersten Radius r ₁ und einem Durchmesser d _S des Schafts benachbart zur Spitze gilt: 0,6 ≤ r ₁ /d _S ≤ 5,5.

Das erfmdungsgemäße Fügeelement umfasst somit in bekannter Weise einen Kopf, einen Schaft und eine Spitze. Vorzugsweise sind insbesondere die Spitze und der Schaft einteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Fügeelement insgesamt einteilig ausgebildet, d.h. der Kopf, der Schaft und die Spitze. Ebenso besteht das Fügeelement vorzugsweise aus nur einem Material. Dies gilt insbesondere für den Schaft und die Spitze. Daraus ergibt sich, dass das erfindungsge- mäße Fügeelement vorzugsweise keine zusätzliche Beschichtung oder eine weitere Materiallage an der Außenseite aufweist.

Der Erstreckung des Schafts zwischen Kopf und Spitze definiert ebenfalls in gewohnter Weise die Längsachse des Fügeelements zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende, die aufgrund von Lage und Verlauf auch als Mittellängsachse bezeichnet wird. Vorzugsweise ist der Schaft zylindrisch ausgebildet. Als Durchmesser des Schafts wird vorzugsweise der Kemdurch- messer verwendet. Bezug nehmend auf einen einteilig ausgebildeten Schaft mit einer Oberflä- chenprofilierung handelt es sich somit um den kleinsten Durchmesser des Schafts. Beispielhaft ausgehend von einem Gewinde als mögliche Oberflächenprofilierung im Schaftbereich bezeich- net der Kemdurchmesser somit den senkrecht zur Längsachse gemessenen Abstand der inneren Punkte des Gewindes bzw. der Oberflächenprofilierung.

Die Besonderheit der Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Fügeelements ergibt sich im Hinblick auf die Gestaltung der Spitze. Diese weist zusammengefasst einen ersten ogival en Bereich benachbart zum Schaft sowie einen sich daran anschließenden kugelförmigen Bereich auf, wobei der Radius r ₁ des ogivalen Bereichs bzw. des im Querschnitt entlang der Längsachse kreisförmigen Bereichs zur Lösung der oben definierten Aufgabe ein bestimmtes Verhältnis zum Durchmesser des Schafts aufweist, was nachstehend erläutert wird.

Ein ogivaler Körper oder Bereich wird durch ein Kreisbogensegment erzeugt, das um 360° um eine Mittelachse gedreht wird. Wird ein solcher Körper oder Bereich im Querschnitt entlang der Mittelachse betrachtet, liegt das entsprechende Kreisbogensegment spiegelsymmetrisch zur Mittelachse vor. Bei einer ogivalen Form handelt es sich somit um einen Rotationskörper. Bezogen auf das erfindungsgemäße Fügeelement wird ein solcher ogivaler Bereich durch den im Querschnitt entlang der Längsachse vorhandenen kreisförmigen Bereich mit dem ersten Radius r ₁ definiert. Dieser kreisförmige Bereich schließt sich unmittelbar oder direkt an den vorzugswei- se zylindrischen Schaft an. Die Längsachse stellt die Mittelachse dar, um die der kreisförmige Bereich um 360° gedreht wird. Somit ist der kreisförmige Bereich im Querschnitt entlang der Längsachse spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse.

Der Mittelpunkt des kreisförmigen Bereichs ist auf der Senkrechten auf der dem kreisförmigen Bereich gegenüberliegenden Seite bezogen auf die Längsachse angeordnet. Somit verringert sich ein Abstand zwischen dem kreisförmigen Bereich und der Längsachse vom Schaft in Richtung des konvexen kreisförmigen Endbereichs, was insbesondere anhand der später diskutierten Figuren verdeutlicht wird.

Durch den im Querschnitt entlang der Längsachse konvexen kreisförmigen Endbereich, der sich unmittelbar oder direkt an den ogival ausgebildeten Bereich anschließt, ist die ogivale Form am zweiten Ende kugelförmig abgestumpft. Diese Ausgestaltung wird daher auch als sphärisch oder kugelförmig abgestumpfte ogivale Form bezeichnet. Ein Übergang zwischen dem ogivalen Bereich und der Kugelform ist vorzugsweise stufenlos. Alternativ ist auch ein Übergang unter Verwendung einer Stufe bevorzugt.

Aufgrand der erfindungsgemäßen Merkmale, d.h. der kugelförmig abgestumpften ogivalen Form in Verbindung mit dem Verhältnis zwischen dem Radius n des kreisförmigen Bereichs und dem Durchmesser d _S des Schafts zwischen 0,6 und 5,5 ist die Spitze des Fügeelements geometrisch angepasst, um eine größtmögliche Formstabilität und gleichzeitig eine punktuelle Krafteinwir- kung zu gewährleisten. Durch diese besondere geometrische Anpassung ist das Risiko eines Bruchs des Fügeelements, einer Deformation der Spitze sowie eines Abtrennens eines Butzens bei einem translatorischen Setzen, d.h. bei einem im Wesentlichen drehungsfreien Setzen, des Fügeelements in die miteinander zu verbindenden und im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Vergleich zu den bekannten Fügeelementen reduziert oder vorzugsweise beseitigt.

Insbesondere vermeidet die so gebildete robustere Spitze des Fügeelements eine plastische Verformung des Fügeelements aufgrund von mechanischen Spannungen im Fügeprozess. Dies gilt auch und gerade im Hinblick auf die Verwendung eines hoch- oder höchstfesten Stahls für eines der miteinander zu verbindenden Bauteile, insbesondere für das untere, d.h. kopfabge- wandte, Bauteil bei einem translatorischen Setzen des Fügeelements in einen nicht vorgelochten Fügebereich, wobei die Spitze des Fügeelements das Bauteil durchdringt.

Im Rahmen der Erfindung wurde in dieser Hinsicht festgestellt, dass die prozesssichere Durch- dringung der miteinander zu verbindenden Bauteile mit der Spitze des Fügeelements, insbeson- dere wenn eines der miteinander zu verbindenden Bauteile aus einem hoch- oder höchstfestem Stahl besteht, sowie die Butzenbildung maßgeblich vom Durchmesser des Schafts und dem Radius r ₁ des im Querschnitt entlang der Längsachse kreisförmigen Bereichs, d.h. der ogivalen Form, abhängen. Um eine Deformation der Spitze des Fügeelements zu vermeiden und damit der Butzenbildung entgegen zu wirken, muss die auf die Bolzenspitze einwirkende Fügekraft auf eine möglichst große Querschnittsfläche verteilt werden, sodass die Spannungen weit unter der Fließgrenze des Materials des Fügeelements bleiben.

Gleichzeitig muss die Bolzenspitze die Fügekraft punktuell auf das kopfabgewandte Bauteil aus hoch- oder höchstfestem Stahl übertragen, um das Bauteil im Angriffspunkt zu durchtrennen und danach fließend aufzuweiten. Andernfalls wird die Scherfestigkeit des hoch- oder höchstfesten Stahls überschritten und ein Butzen wird schlagartig ausgestanzt. Letzteres wird insbesondere bei Verwendung eines Fügeelements mit einer der bekannten Geometrien beobachtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Fügeelements gilt für das Verhältnis zwischen dem ersten Radius r ₁ und dem Durchmesser d _S des Schafts benachbart zur Spitze: 0,8 ≤ r ₁ /d _S ≤ 5,0, vorzugsweise 0,9 ≤ r ₁ /d _S ≤ 4,5 und besonders bevorzugt 0,9 ≤ r ₁ /d _S ≤ 2,0. Das Optimum für das translatorische Setzen des Fügeelements, d.h. das im Wesentlichen drehungsfreie Setzen, wird durch das Verhältnis zwischen dem Radius r ₁ des kreisförmigen Bereichs und dem Durchmesser des Schafts beschrieben. Dieses Verhältnis wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Ogivalitätsquotient oder Ogivalitätsfaktor bezeichnet.

Gerade der Wertebereich zwischen 0,9 und 2,0 hat sich hierbei als besonders vorteilhaft heraus- gestellt, da dieser Wertebereich geometrisch eine scharfe Spitze in Relation zum Schaft- Durchmesser bereitstellt, die in Richtung des Kopfs des Fügeelements stark divergiert. Auf diese Weise wird somit das Risiko einer plastischen Deformation der Spitze sowie das Abtrennen eines Butzens weiter reduziert, wenn das Fügeelement in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile ausschließlich translatorisch gesetzt wird, wobei die Spitze des Fügeelements die Bauteile durchdringt. Besonders vorteilhaft ist ein Wertebereich von 0,9 bis 1,3 für den Ogivalitätsfaktor, was bei einem beispielhaften Schaftdurchmesser von 3,15 mm einen ersten Radius r ₁ von ungefähr 3 mm bis ungefähr 4 mm ergibt. Der Vorteil gerade gegenüber größeren Radien von > 6mm, d.h. einem Ogivalitätsfaktor über 2, liegt darin, dass die Querschnittsfläche in Richtung des Kopfs schneller zunimmt und sich dadurch die Reaktionskräfte auf eine größere Fläche verteilen. Die sich daraus ergebende Spannung liegt im Ergebnis vorzugsweise noch unter der Fließgrenze des Werkstoffes des Fügeelements, sodass die Spitze nicht verformt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Fügeelements gilt für den zweiten Radius r ₂ : r ₂ ≤ 0,4 d _S , insbesondere r ₂ ≤ 0,3 d _S und besonders bevorzugt r ₂ ≤ 0,2 d _S . Gerade dieser Spitzenradius kommt einer Deformation der Spitze zuvor und beschränkt damit mögliche Fügeenergieverluste auf ein Minimum.

Ein weiterer Vorteil dieses zweiten Radius r ₂ ergibt sich insbesondere in Kombination mit dem Durchmesser d _S des Schaftes und dem ersten Radius r ₁ , also dem Ogivalitätsquotienten. Der resultierende technische Effekt ist die geometrische Widerstandsfähigkeit gegenüber Verfor- mung, wobei der Radius r ₂ in Relation zum Schaftdurchmesser noch spitz genug ist, um die miteinander zu verbindenden Bauteile, insbesondere das kopfabgewandte Bauteil, ohne Abtren- nung eines Butzens durchdringen zu können. Besonders bevorzugt liegt der Spitzenradius r ₂ im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm.

Es ist ebenfalls bevorzugt, dass für ein Verhältnis zwischen dem ersten Radius r ₁ und dem zweiten Radius r ₂ gilt: r ₁ /r ₂ ≥ 4,0, vorzugsweise r ₁ /r ₂ ≥ 4,5 und besonders bevorzugt r ₁ /r ₂ ≥ 10, und/oder r ₁ /r ₂ ≤ 100, vorzugsweise r ₁ /r ₂ ≤ 50 und besonders bevorzugt r ₁ /r ₂ ≤ 40. Hierdurch wird das Risiko der plastischen Deformation der Spitze weiter reduziert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Fügeelements gilt für eine Länge 1 _S des Schafts: 1 _S ≥

5 mm. In Abhängigkeit von einer Dicke der miteinander zu verbindenden Bauteile ist bei einer Unterschreitung dieses Werts ein verlässliches Verbinden der Bauteile aneinander nicht mehr gewährleistet. Insbesondere die bevorzugte Länge 1 _S von mindestens 5 mm gewährleistet, dass auch bei dickeren Bauteilen ein Kraft- bzw. Formschluss gewährleistet wird. So ist ein Vorteil, dass mit dem so gestalteten Fügeelement das prozesssichere Fügen eines hoch- oder höchstfesten Stahls, beispielsweise eines pressharten 22MnB5-Profils, der eine hohe Zugfestigkeit von mehr als 1.400 MPa aufweist, insbesondere als kopfabgewandtes Bauteil ermöglicht wird. Das prozesssichere Fügen ist mit dieser bevorzugten Ausführungsform des Fügeelements bei diesem Material auch noch bei einer Materialstärke von mehr als 1,3 mm sowie bei nur einseitiger Zugänglichkeit der miteinander zu verbindenden Bauteile gegeben.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Fügeelements ist die Senkrechte zwischen Schaft und Spitze angeordnet, so dass eine T angenten-Ogi ve resultiert. Bei der Tangenten-Ogive ist der kreisförmige Bereich tangential zum vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Schaft angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ergibt sich im Vergleich zur Verwendung einer Sekanten-Ogive, bei der der im Querschnitt entlang der Längsachse kreisförmige Bereich nicht tangential zum Schaft angeordnet ist, sondern diesen in einem spitzen Winkel schneidet. Denn bei der Senkanten-Ogive werden die miteinander zu verbindenden Bauteile stärker aufgeweitet, wodurch sich Nachteile bei der Befestigung des Fügeelements in den miteinander zu verbinden- den Bauteilen ergeben können. Daher ist die Verwendung einer Tangenten-Ogive bevorzugt.

Vorteilhafterweise weist der Kopf des Fügeelements eine zylindrische Umfangsfläche und eine ebene Unterseite auf, wobei in der ebenen Unterseite eine Ringnut angrenzend an den Schaft zur Aufnahme eines wulstformigen Materialaufwurfs des kopfseitigen Bauteils vorhanden ist. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Ringnut angrenzend an den Schaft eine abgerundete umlaufen- de Fläche aufweist, die tangential einerseits in den Schaft und andererseits in eine konische Fläche übergeht. Auf diese Weise kann gerade wenn bei einer entsprechenden Material-Dicken- Kombination der obere Werkstoff entgegen der Fügerichtung aufsteigt dieser in der Ringnut aufgenommen werden.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Fügeelements umfasst der Schaft eine

Oberflächenprofilierung zur Aufnahme von Material des kopfabgewandten Bauteils. Auf diese Weise wird das Fügeelement besonders verlässlich in dem kopfabgewandten Bauteil befestigt, das aus dem hoch- oder höchstfestem Stahl besteht.

Eine erfindungsgemäße Verbindungsstruktur besteht aus mindestens einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die mittels eines erfindungsgemäßen Fügeelements verbunden sind. Im Hinblick auf die sich ergebenden Vorteile und technischen Effekte wird daher auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Fügeelement verwiesen, um unnötige W iederholungen zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform der V erbindungsstruktur sind das erste Bauteil benach- bart zum Kopf und das zweite Bauteil benachbart zur Spitze des Fügeelements angeordnet, wobei das zweite Bauteil aus einem Stahl, insbesondere einem W armumformstahl, mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa besteht. Das kopfabgewandte oder untere Bauteil besteht somit aus einem hoch- oder höchstfesten Stahl, insbesondere einem pressharten Stahl wie beispielsweise Usibor. Aufgrund der spezifischen Geometrie der Spitze des Fügeelements ist bei einem Setzen des Fügeelements in ein solches Bauteil sowie beim Durchdringen des Bauteils das Risiko einer plastischen Deformation der Spitze sowie eines Bruchs des Fügeelements reduziert oder vorzugsweise beseitigt. Zudem verhindert das so gestaltete Fügeelement, dass ein Butzen aus dem zweiten Bauteil aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa abgetrennt wird.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels eines erfindungsgemäßen Fügeelements, umfasst die Schritte: Anordnen des ersten und des zweiten Bauteils übereinander, Setzen des Fügeelements in die Anordnung aus übereinander angeordnetem erstem und zweitem Bauteil, wobei das Setzen des Fügeele- ments im Wesentlichen drehungsfrei erfolgt. Das im Wesentlichen drehungsfreie Setzen kann auch als ausschließlich translatorisches Setzen des Fügeelements bezeichnet werden. Dieses Setzen erfolgt in die im Fügebereich nicht vorgelochten und miteinander zu verbindenden Bauteile. Am Ende des Setzvorgangs hat die Spitze des Fügeelements beide Bauteile durchdrun- gen. Bezüglich der sich ergebenden Vorteile wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungs- gemäßen Fügeelement verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind das erste Bauteil benachbart zum Kopf und das zweite Bauteil benachbart zur Spitze des Fügeelements angeordnet, wobei das zweite Bauteil aus einem Stahl, insbesondere einem Warmumformstahl, mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa besteht. Wie oben im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausfüh- rungsform der Verbindungsstruktur erläutert besteht das kopfabgewandte oder untere Bauteil somit aus einem hoch- oder höchstfesten Stahl, insbesondere einem pressharten Stahl wie beispielsweise Usibor. Aufgrund der spezifischen Geometrie der Spitze des Fügeelements ist bei einem Setzen des Fügeelements in ein solches Bauteil sowie beim Durchdringen des Bauteils das Risiko einer plastischen Deformation der Spitze sowie eines Bruchs des Fügeelements des Fügeelements reduziert oder vorzugsweise beseitigt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens sind das erste Bauteil benachbart zum Kopf und das zweite Bauteil benachbart zur Spitze des Fügeelements angeordnet, wobei ein Durchdringen des zweiten Bauteils ohne Abtrennung eines Butzens erfolgt. Gerade die spezifi- sche Geometrie des erfindungsgemäßen Fügeelements ermöglicht es, dass kein Butzen aus dem zweiten Bauteil aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa abgetrennt wird. Vielmehr wird das Bauteil im Angriffspunkt durchtrennt und danach fließend aufgeweitet, was später unter Bezugnahme auf die Figuren verdeutlicht wird.

4. Kurzzusammenfassung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen dabei gleiche Bauteile und/oder Elemente. Es zeigen:

Figur 1a eine Querschnittsansicht eines in zwei Bauteile gesetzten Fügeelements,

Figur 1b eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß Figur 1 a mit der Spitze des Fügeelements,

Figur 2 eine schematische Zeichnung zur Verdeutlichung einer ogivalen Form,

Figur 3 eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt eines Fügeelements zur Verdeutli- chung einer kugelförmig abgestumpften ogivalen Form,

Figur 4a eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt eines Fügeelements,

Figur 4b eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Spitzenbereichs aus Fig. 4a,

Figur 5a eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügeelements,

Figur 5b eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Spitzenbereichs aus Fig. 5a, Figur 6 eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügeelements,

Figur 7 eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügeelements,

Figur 8a eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer vierten Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Fügeelements,

Figur 8b eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Spitzenbereichs aus Fig, 8a,

Figur 9 eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügeelements,

Figur 10a eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügeelements,

Figur 10b eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Spitzenbereichs aus Fig. 10a,

Figur 11a eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt einer siebten Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Fügeelements,

Figur 11b eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Spitzenbereichs aus Fig. 11a,

Figur 12a eine Querschnittsansicht eines in zwei Bauteile gesetzten Fügeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 12b eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß Figur 12a mit der Spitze des Fügeelements und

Figur 13 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbinden von zwei Bauteilen. 5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezug nehmend auf Figur 1a ist eine Querschnittsansicht einer V erbindungsstraktur gezeigt, die aus einem ersten Bauteil A und einem zweiten Bauteil B besteht, die mittels eines Fügeelements 1 miteinander verbunden sind. Das zweite Bauteil B besteht aus einem hoch- oder höchstfesten Stahl, der eine hohe Zugfestigkeit von mehr als 1.400 MPa aufweist, beispielsweise Usibor. Vor dem Setzen des Fügeelements waren beide Bauteile im Fügebereich nicht vorgelocht.

Das Fügeelement 1 weist in bekannter Weise einen Kopf 10 an einem ersten axialen Ende, eine Spitze 20 an einem zweiten axialen Ende sowie einen dazwischen angeordneten Schaft 30 auf. Die Spitze 20 weist benachbart zum Schaft 30 einen kreisförmigen Bereich 22 mit einem ersten Radius r ₁ auf, was später erläutert wird. Aufgrund eines translatorischen Setzvorgangs, bei dem die ursprünglich ogival ausgebildete Spitze des Fügeelements 1 beide im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile A, B durchdrungen hat, wurde die Spitze im Endbereich 26 plastisch deformiert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die benötigte Energie zum Setzen des Fü- geelements 1 in die beiden Bauteile A, B nachteilig.

Figur 1b zeigt eine perspektivische Ansicht der Anordnung aus Figur la von dem zweiten Bauteil B aus. Aus dieser Figur wird ein weiterer Nachteil bei der Verwendung eines hoch- oder höchstfesten Stahls als zweites Bauteil B in Verbindung mit dem Fügeelement 1 ersichtlich. So fuhrt die Verwendung des Fügeelements 1 nicht nur dazu, dass die Spitze im Endbereich 26 plastisch deformiert wird, sondern es wird zusätzlich ein Butzen 40 aus dem zweiten Bauteil B herausgetrennt. Dies ist gerade bei nur einseitiger Zugänglichkeit der miteinander zu verbinden- den Bauteile A, B nachteilig.

Anhand von Figur 2, die eine schematische Darstellung eines Schafts 30 und einer Spitze 20 eines Fügeelements zeigt, um die Erzeugung eines ogivalen Körpers zu verdeutlichen, werden die Grundlagen für die Geometrie der Spitze 20 erläutert.

Ein ogival er Körper oder Bereich wird üblicherweise durch ein Kreisbogensegment, d.h. den im

Querschnitt entlang der Längsachse kreisförmigen Bereich 22 mit dem ersten Radius r ₁ , erzeugt, der um 360° um die Längsachse L gedreht wird. Wird ein solcher ogivaler Bereich im Quer- schnitt entlang der Längsachse L betrachtet, wie in Figur 2 gezeigt, liegt der kreisförmige Bereich 22 spiegelsymmetrisch zur Längsachse L vor. Bei einer ogivalen Form handelt es sich somit um einen Rotationskörper.

Wie ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich, schließt sich der kreisförmige Bereich 22 unmittelbar oder direkt an den vorzugsweise zylindrischen Schaft 30 an.

Ein Mittelpunkt M des kreisförmigen Bereichs 22 ist auf einer Senkrechten S zu der Längsachse L angeordnet. In Figur 2 ist der Mittelpunkt M für den kreisförmigen Bereich 22 oberhalb der Längsachse L eingezeichnet. Da der kreisförmige Bereich 22 zur Erzeugung der Spitzbogenform spiegelsymmetrisch zur Längsachse L ausgebildet ist, erstreckt sich der kreisförmige Bereich 22 maximal vom Schaft 30 bis zu der Stelle, an der er die Längsachse L schneidet.

Aufgrund des resultierenden spitzbogenförmigen Verlaufs der Spitze 20 in diesem Bereich verringert sich ein Abstand zwischen dem kreisförmigen Bereich 22 und der Längsachse L vom Schaft 30 in Richtung des zweiten axialen Endes des Fügeelements. Wie hieraus weiterhin ersichtlich wird, ist der Mittelpunkt M des kreisförmigen Bereichs 22 bezogen auf die Längsach- se L auf der dem kreisförmigen Bereich 22 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Daher liegt der Mittelpunkt M für den kreisförmigen Bereich 22 unterhalb der Längsachse L entsprechend auf der Senkrechten S oberhalb der Längsachse L.

In Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Radius r ₁ und dem Durchmesser d _S des hier zylindrisch ausgebildeten Schafts 30 benachbart zur Spitze 20 ergeben sich unterschiedliche Ausgestaltungen für die ogivale Form. Die gepunktete Linie in Figur 2 zeigt dabei eine halb- kreisförmig ausgebildete Spitze 20. Diese Ausgestaltung ist das Ergebnis, wenn für das Verhält- nis zwischen dem Radius r ₁ und dem Durchmesser d _S des Schafts 30 gilt: r ₁ /d _S = 0,5. Dieses Verhältnis wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Ogivalitätsfaktor oder Ogivali- tätsquotient bezeichnet. Ein Ogivalitätsfaktor von 1,0 bedeutet daher, dass der erste Radius r ₁ und der Durchmesser d _S des Schafts 30 gleich groß sind, wodurch sich die ogivale Form benach- bart zur gepunkteten Linie ergibt. Bei einem Ogivalitätsfaktor von ungefähr 2,0 resultiert die äußerste ogivale Form, für die der erste Radius r ₁ eingezeichnet ist. Die mittlere ogivale Form ergibt sich daher bei einem Ogivalitätsfaktor von ungefähr 1 ,5.

Im Hinblick auf den Übergang zwischen Schaft 30 und ogivaler Form bzw. dem kreisförmigen Bereich 22 mit dem ersten Radius r ₁ wird zwischen einer Tangenten-Ogive und einer Sekanten- Ogive unterschieden. Bei der Tangenten-Ogive geht der Schaft 30 tangential in den kreisförmi- gen Bereich 22 über. In diesem Fall ist die Senkrechte S zur Längsachse L genau zwischen Schaft 30 und Spitze 20 angeordnet. Die Sekanten-Ogive unterscheidet sich in der Hinsicht von der Tangenten-Ogive, dass der kreisförmige Bereich 22 nicht tangential zum Schaft 30 angeord- net ist, sondern diesen in einem spitzen Winkel schneidet. Die Senkrechte S ist daher beispiels- weise im Bereich des Schafts 30 angeordnet, also weiter in Richtung des ersten axialen Endes versetzt.

Nun Bezug nehmend auf Figur 3 wird eine Abwandlung der ogivalen Form der Spitze eines Fügeelements erläutert. Das hier dargestellte Fügeelement weist einen Kopf 10 mit einer Oberseite 12 und einer Unterseite 14, einen Schaft 30 sowie eine Spitze 20 auf. Der Kopfdurch- messer ist mit d _K , die Gesamtlänge des Fügeelements mit l _G und der Durchmesser des Schafts 30 mit d _S gekennzeichnet.

Aus der Ausschnittvergrößerung ergibt sich, dass die Spitze 20 aus zwei Bereichen besteht. In einem ersten Bereich weist die Spitze 20 den im Querschnitt entlang der Längsachse kreisförmi- gen Bereich 22 mit dem ersten Radius r ₁ auf. In diesem Bereich ist die Spitze 20 somit ogival ausgebildet. An diesen ogivalen Bereich schließt sich ein im Querschnitt entlang der Längsachse L konvexer kreisförmiger Endbereich 24 mit einem zweiten Radius r ₂ an. Auf diese Weise ist die ogivale Form des ersten Bereichs mittels einer Kugelform abgestumpft. Es handelt sich also um eine kugelförmig abgestumpfte ogivale Form.

Zur Verdeutlichung der Bedeutung der Spitzengeometrie bei Fügeelementen zeigen die Figuren 4a und 4b ein Fügeelement mit einer kugelförmig abgestumpften ogivalen Form der Spitze 20. In bekannter Weise umfasst das Fügeelement 1 den Kopf 10, die Spitze 20 und den Schaft 30. Der Kopf 10 verfügt über eine Ringnut 16 und der Schaft 30 über eine Oberflächenprofilierung 32.

Die Spitze 20 besteht aus dem kreisförmigen Bereich 22 und dem konvexen kreisförmigen Endbereich 24. Die hier gezeigte Ausgestaltung weist ein Verhältnis zwischen erstem Radius r ₁ des kreisförmigen Bereichs 22 und Durchmesser d _S des Schafts von ca. 8,2 auf. Bei einem beispielhaften Durchmesser d _S von 3,05 mm ergibt sich daher ein erster Radius r ₁ von 25 mm. Figur 4b zeigt ein Vergrößerung des eingekreisten Bereichs aus Figur 4a. Der zweite Radius r ₂ des konvexen, kreisförmigen Endbereichs 24 liegt in der Größenordnung von ca. 0,32 d _S , d.h. bezogen auf das obige Beispiel bei ca. 1,0 mm.

Wird ein so gestaltetes Fügeelement zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen verwendet, kann das Risiko einer plastischen Deformation der Spitze 20 im Vergleich zur Verwendung eines Fügeelements mit einem Ogivalitätsfaktor über 10 zumindest teilweise reduziert werden, so dass eine Vermeidung der plastischen Deformation nicht realisierbar ist. Dies gilt insbesondere wenn das kopfabgewandte Bauteil aus einem hoch- oder höchstfesten Stahl besteht. Zudem bleibt der Nachteil bestehen, dass ein Butzen abgetrennt wird. Dies ist insbesondere bei einer angenommenen nur einseitigen Zugänglichkeit der miteinander zu verbindenden Bauteile nachteilig und soll daher vermieden werden.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fügeelements werden nachfolgend unter Bezug- nahme auf die Figuren 5a bis 1 lb beschrieben, wobei die Figuren 12a und 12b das Fügeelement in einer Verbindungsstruktur zeigen. Alle diese Ausführungsformen weisen einen Ogivalitätsfak- tor zwischen 0,6 und 5,5 auf, wodurch sowohl eine plastischen Deformation der Spitze 20 als auch die Abtrennung eines Butzens beim Setzen in einen hoch- oder höchstfesten Stahl verhin- dert oder vermieden wird.

Zunächst wird die erste Ausführungsform gemäß den Figuren 5a und 5b beschrieben. Im Hinblick auf die weiteren Ausführungsformen wird danach hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen, um Wiederholungen zu vermeiden.

Gemäß der ersten Ausführungsform des Fügeelements 100 umfasst das Fügeelement 100 einen Kopf 10 an einem ersten axialen Ende, eine Spitze 20 an einem dem ersten axialen Ende gegen- überliegenden zweiten axialen Ende sowie einen zwischen der Spitze 20 und dem Kopf 10 angeordneten Schaft 30. Der Schaft 30 definiert eine Längsachse L des Fügeelements 100 zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Ende.

Der Kopf 10 des Fügeelements 100 weist eine ebene Oberseite 12, eine zylindrische Umfangs- fläche und eine ebene Unterseite 14 auf. In der ebenen Unterseite 14 ist eine Ringnut 16 angren- zend an den Schaft 30 zur Aufnahme eines wulstformigen Materialaufwurfs des kopfseitigen Bauteils A vorhanden. Die Ringnut 16 weist angrenzend an den Schaft 30 eine abgerundete umlaufende Fläche auf, die tangential einerseits in den Schaft 30 und andererseits in eine konische Fläche übergeht. Auf diese Weise kann gerade wenn bei einer entsprechenden Materi- al-Dicken-Kombination der obere Werkstoff entgegen der Fügerichtung aufsteigt dieser in der Ringnut 16 aufgenommen werden.

Der Schaft 30 ist zylindrisch ausgebildet und umfasst zumindest in einem Teilbereich eine Oberflächenprofilierung 32 zur Aufnahme von Material des kopfabgewandten Bauteils B. Auf diese Weise wird das Fügeelement 100 besonders verlässlich in den miteinander zu verbinden- den Bauteilen A, B befestigt. Eine Länge 1 _S des Schafts 30 (vgl. Figur 6) beträgt mindestens 5 mm. Dies ist darin begründet, dass insbesondere die Länge ls von mindestens 5 mm gewähr- leistet, dass auch bei einem Verbinden von dickeren Bauteilen ein Kraft- bzw. Formschluss zwischen den Bauteilen und dem Fügeelement 100 gewährleistet wird. So ist ein Vorteil, dass mit dem so gestalteten Fügeelement 100 das prozesssichere Fügen eines hoch- oder höchstfesten Stahls, beispielsweise eines pressharten 22MnB5-Profils, der eine hohe Zugfestigkeit von mehr als 1.400 MPa aufweist, insbesondere als kopfabgewandtes Bauteil B ermöglicht wird. Das prozesssichere Fügen ist mit der Ausführungsform des Fügeelements bei diesem Material auch noch bei einer Materialstärke von mehr als 1,3 mm sowie bei nur einseitiger Zugänglichkeit der miteinander zu verbindenden Bauteile gegeben.

Unmittelbar an den Schaft 30 schließt sich die Spitze 20 mit dem kreisförmigen Bereich 22 und dem konvexen kreisförmigen Endbereich 24 an. In den dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fügeelements ist die Senkrechte S zwischen Schaft 30 und Spitze 20 angeordnet, so dass eine T angenten-Ogive resultiert. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ergibt sich im Vergleich zur Verwendung einer Sekanten-Ogive. Denn bei der Senkanten-Ogive werden die miteinander zu verbindenden Bauteile stärker aufgeweitet, wodurch sich Nachteile bei der Befestigung des Fügeelements in den miteinander zu verbindenden und im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteilen A, B ergeben können.

Die Spitze 20 weist im Querschnitt entlang der Längsachse L den in Bezug auf die Längsachse L spiegelsymmetrischen kreisförmigen Bereich 22 mit dem ersten Radius r ₁ benachbart zum Schaft 30 auf. Der Mittelpunkt M des kreisförmigen Bereichs 22 liegt, wie unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert, auf einer Senkrechten zu der Längsachse L des Fügeelements 100, so dass die Spitze im kreisförmigen Bereich 22 spitzbogenförmig zum zweiten axialen Ende zuläuft. Der Ogivali- tätsfaktor der ersten Ausführungsform liegt bei ca. 5,25, was bei einem Durchmesser d _S des Schafts 30 von 3,05 mm einem ersten Radius r ₁ von ca. 16,0 mm entspricht.

Weiterhin weist die Spitze 20 den im Querschnitt entlang der Längsachse konvexen kreisförmi- gen Endbereich 24 mit dem zweiten Radius r ₂ im Anschluss an den kreisförmigen Bereich 22 auf. Der Mittelpunkt des konvexen kreisförmigen Endbereichs 24 ist auf der Längsachse L des Fügeelements 100 benachbart zum zweiten axialen Ende angeordnet. Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungsform: r ₂ = 0,16 d _S , was bei einem beispielhaften Durchmesser von 3,05 mm zu einem zweiten Radius r ₂ von ca. 0,5 mm führt. Ein Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ beträgt somit: r ₁ /r ₂ = 32. Ein Durchmesser d _E des Endbereichs 24 an der Grenze zum kreisförmigen Bereich 22 beträgt beispielsweise 0,6 mm. Ein Übergang zwischen dem kreisförmigen Bereich und dem Endbereich ist vorzugsweise stufenlos. Alternativ ist an dieser Stelle ein Übergang unter Verwendung einer Stufe bevorzugt.

Aufgrund dieser spezifischen Gestaltung, d.h. der kugelförmig abgestumpften ogivalen Form in Verbindung mit dem Verhältnis zwischen dem Radius r ₁ des kreisförmigen Bereichs 22 und dem Durchmesser d _S des Schafts 30 zwischen 0,6 und 5,5 ist die Spitze 20 des Fügeelements 100 geometrisch angepasst, um eine größtmögliche Formstabilität und gleichzeitig eine punktuelle Krafteinwirkung zu gewährleisten. Dadurch ist das Risiko eines Bruchs des Fügeelements 100, einer Deformation der Spitze 20 sowie eines Abtrennens eines Butzens bei einem translatori- schen Setzen, d.h. bei einem im Wesentlichen drehungsfreien Setzen, des Fügeelements 100 in die miteinander zu verbindenden Bauteile A, B im Vergleich zu den bekannten Fügeelementen reduziert.

Insbesondere vermeidet die so gebildete robustere Spitze 20 des Fügeelements 100 eine plasti- sche Verformung des Fügeelements 100 aufgrund von mechanischen Spannungen im Fügepro- zess. Dies gilt auch und gerade im Hinblick auf die Verwendung eines hoch- oder höchstfesten Stahls für eines der miteinander zu verbindenden Bauteile A, B, insbesondere für das untere, d.h. kopfabgewandte, Bauteil B. Dabei hängt die prozesssichere Durchdringung der miteinander zu verbindenden Bauteile A, B, insbesondere wenn eines der miteinander zu verbindenden Bauteile A, B aus einem hoch- oder höchstfestem Stahl besteht, sowie die Butzenbildung maßgeblich vom Durchmesser d _S des Schafts 30 und dem ersten Radius r ₁ des kreisförmigen Bereichs 22, d.h. der ogivalen Form, ab. Um eine Deformation der Spitze 20 des Fügeelements 100 zu vermeiden und damit der Butzen- bildung entgegen zu wirken, muss die auf die Spitze 20 einwirkende Fügekraft auf eine mög- lichst große Querschnittsfläche verteilt werden, sodass die Spannungen weit unter der Fließgrenze des Materials des Fügeelements 100 bleiben. Zudem muss die Spitze 20 die Füge- kraft punktuell auf das kopfabgewandte Bauteil B aus hoch- oder höchstfestem Stahl übertragen, um das Bauteil B im Angriffspunkt zu durchtrennen und danach fließend aufzuweiten. Andern- falls wird die Scherfestigkeit des hoch- oder höchstfesten Stahls überschritten und ein Butzen wird schlagartig ausgestanzt.

Nun Bezugnehmend auf Figur 6 ist eine zweite Ausführungsform eines Fügeelements 200 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau entspricht, wie oben erläutert, dem Aufbau der ersten Ausführungsform des Fügeelements 100. Im Unterschied zum Fügeelement 100 ist der Schaft 30 länger ausgebildet und die Oberflächenprofilierung 32 erstreckt sich daher über einen längeren Bereich. Allerdings endet die Oberflächenprofilierung mit einem Abstand zur Spitze 20, so dass ein Bereich des Schafts 30 benachbart zur Spitze 20 frei von der Oberflächenprofilierung 32 ist.

Im Rahmen der zweiten Ausführungsform des Fügeelements 200 wurde der Ogivalitätsfaktor weiter abgesenkt auf einen Wert von ca. 4,26, Bei dem beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30 von 3,05 mm entspricht dies einem ersten Radius r ₁ von ca. 13,0 mm. Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungsform: r ₂ = 0,33 d _S , was einem zweiten Radius r ₂ von 1,0 mm gleichkommt. Das Verhältnis des ersten Radius h zum zweiten Radius r ₂ beträgt somit: r ₁ /r ₂ =

13. Die Änderung der Verhältnisse wird auch bei einem Vergleich der ersten Ausführungsform mit der zweiten Ausführungsform deutlich. So weist die erste Ausführungsform einen deutlich länger gestreckte Spitze 20 aufgrund des höheren Ogivalitätsfaktors auf. Auch der Endbereich 24 ist in der ersten Ausführungsform spitzer gestaltet.

Bei der dritten Ausführungsform des Fügeelements 300 gemäß Figur 7 wurde die größere Länge des Schafts 30 beibehalten und auch der Ogivalitätsfaktor wurde bei einem Wert von ca. 4,26 gehalten. Daher resultiert auch hier ein erster Radius r ₁ von ca. 13,0 mm für den beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30. Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungsform aber: r ₂ = 0,16 d _S , was einer Halbierung und somit einem zweiten Radius r ₂ von 0,5 mm gleichkommt. Das Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ hat sich somit verdoppelt und beträgt: r ₁ /r ₂ = 26. Die Änderung der Verhältnisse wird auch bei einem Vergleich der zweiten Ausfüh- rungsform mit der dritten Ausführungsform deutlich. So weist die dritte Ausführungsform aufgrund des kleineren zweiten Radius r ₂ einen deutlich länger gestreckte Spitze 20 auf, da der konvexe kreisförmige Endbereich 24 näher am zweiten axialen Ende ansetzt. Zudem ist der Endbereich 24 in der dritten Ausführungsform spitzer gestaltet.

Im Rahmen der vierten Ausführungsform des Fügeelements 400 gemäß den Figuren 8a und 8b wurde der Schaft 30 im Vergleich zur zweiten und dritten Ausführungsform verkürzt, wobei der Ogivalitätsfaktor auf einen Wert von ca. 1,97 weiter abgesenkt wurde. Auch ist der Schaft 30 bereits direkt benachbart zur Spitze 20 mit einer Oberflächenprofilierung 32 versehen. Bei dem beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30 von 3,05 mm entspricht der Ogivalitätsfaktor einem ersten Radius r ₁ von ca. 6,0 mm. Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungs- form: r ₂ = 0,05 d _S , was einem zweiten Radius r ₂ von 0,15 mm gleichkommt. Das Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ beträgt somit: r ₁ /r ₂ = 40. Ein Durchmesser d _E des Endbereichs 24 an der Grenze zum kreisförmigen Bereich 22 beträgt beispielsweise 0,5 mm, wodurch sich eine leichte Einschnürung am Übergang zwischen Endbereich 24 und kreisförmi- gem Bereich 22 ergibt. Wie oben erläutert, ist ein solcher Übergang neben einem direkten oder stufenlosen Übergang ebenfalls bevorzugt. Im Ergebnis ist die Spitze 20 der vierten Ausfüh- rungsform daher weniger langgestreckt als bei der dritten Ausführungsform. Zudem ist der Endbereich 24 in der vierten Ausführungsform spitzer gestaltet.

Bei der fünften Ausführungsform des Fügeelements 500 gemäß Figur 9 wurde die Länge des Schafts 30 wieder erhöht und der Ogivalitätsfaktor wurde weiter ab gesenkt auf einen Wert von ca. 1,31. Der Schaft 30 weist benachbart zur Spitze 20 wieder einen Bereich auf, der frei ist von der Oberflächenprofilierung 32. Durch den Ogivalitätsfaktor resultiert hier ein erster Radius r ₁ von ca. 4,0 mm für den beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30, Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungsform : r ₂ = 0,05 d _S , was einem zweiten Radius r ₂ von 0,15 mm gleich- kommt. Das Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ beträgt: r ₁ /r ₂ = 26,7. Somit ist der zweite Radius in der vierten und fünften Ausführungsform gleich, allerdings wurde der erste Radius in der fünften Ausführungsform weiter verringert. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Verhalten des Fügeelements 500 bei der Durchdringung der miteinander zu verbindenden Bauteile A, B aus.

Die sechsten Ausführungsform des Fügeelements 600 gemäß den Figuren 10a und 10b entspricht im Wesentlichen der fünften Ausführungsform, allerdings wurde der Schaft 30 im Vergleich zur fünften Ausführungsform verkürzt. Somit weist auch diese Ausgestaltung einen Ogivalitätsfaktor von ca. 1,31 auf. Bei dem beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30 von 3,05 mm entspricht der Ogivalitätsfaktor einem ersten Radius r ₁ von ca. 4,0 mm, wie in der fünften Ausführungs- form. Für den zweiten Radius r ₂ gilt, wie in der fünften Ausführungsform : r ₂ = 0,05 d _S , was einem zweiten Radius r ₂ von 0,15 mm entspricht. Das Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ beträgt somit: r ₁ /r ₂ = 26,7.

Bei der siebten Ausführungsform des Fügeelements 700 gemäß den Figuren 11a und 11b wurde die Länge des Schafts 30 im Vergleich zur sechsten Ausführungsform beibehalten, wie auch der Wert des Ogivalitätsfaktors mit ca. 1,31. Der Schaft 30 weist benachbart zur Spitze 20 einen Bereich auf, der frei ist von der Oberflächenprofilierung 32. Durch den Ogivalitätsfaktor resultiert auch hier ein erster Radius r ₁ von ca. 4,0 mm für den beispielhaften Durchmesser d _S des Schafts 30. Für den zweiten Radius r ₂ gilt in dieser Ausführungsform aber: r ₂ = 0,16 d _S , was einem zweiten Radius r ₂ von 0,5 mm gleichkommt. Das Verhältnis des ersten Radius r ₁ zum zweiten Radius r ₂ beträgt: r ₁ /r ₂ = 8,0. Dadurch ist der Endbereich 24 flacher gestaltet im Ver- gleich zur sechsten Ausführungsform, was das Durchdringen der miteinander zu verbindenden Bauteile A, B weiter vorteilhaft unterstützt.

Die Figuren 12a und 12b zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungs- Struktur bestehend aus einem kopfzugewandten ersten Bauteil A und einem kopfabgewandten zweiten Bauteil B, die mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeelements, beispielsweise dem Fügeei erneut 700, verbunden sind.

Das zweite Bauteil B besteht aus einem Stahl, insbesondere einem Warmumformstahl, mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa. Somit wurde das kopfabgewandte oder untere Bauteil B aus einem hoch- oder höchstfesten Stahl, insbesondere einem pressharten Stahl wie beispiels- weise Usibor, hergestellt. Aufgrund der spezifischen Geometrie der Spitze des Fügeelements 700 ist bei einem Setzen des Fügeelements 700 in ein solches Bauteil B sowie beim Durchdringen des Bauteils B das Risiko einer plastischen Deformation der Spitze 20 sowie eines Bruchs des Fügeelements 700 reduziert oder vorzugsweise beseitigt. Zudem verhindert das so gestaltete Fügeelement 700, dass ein Butzen aus dem zweiten Bauteil aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa abgetrennt wird. Vielmehr wird das Material des zweiten Bauteils B im Angriffspunkt durchtrennt und danach an der Stelle, an der die Spitze 20 aus dem zweiten Bauteil B austritt, fließend aufgeweitet. Abschließend und Bezug nehmend auf Figur 13 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils A mit einem zweiten Bauteil B mittels einer Ausführungsform eines Fügeelements gezeigt. In einem ersten Schritt A erfolgt ein Anordnen des ersten A und des zweiten Bauteils B übereinander. In einem sich daran anschlie- ßenden zweiten Schritt wird ein Setzen des Fügeelements in die Anordnung aus übereinander angeordnetem erstem und zweitem Bauteil durchgeführt, wobei das Setzen des Fügeelements im Wesentlichen drehungsfrei erfolgt. Das im Wesentlichen drehungsfreie Setzen kann auch als ausschließlich translatorisches Setzen des Fügeelements bezeichnet werden.

Das erste Bauteil ist beim Setzen benachbart zum Kopf und das zweite Bauteil benachbart zur Spitze des Fügeelements angeordnet und beide Bauteile sind im Fügebereich nicht vorgelocht, wie bereits diskutiert. Das zweite Bauteil besteht insbesondere aus einem Stahl, vorzugsweise einem Warmumformstahl, mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa. Ein Durchdringen des zweiten Bauteils B erfolgt ohne Abtrennung eines Butzens. Gerade die spezifische Geomet- rie des erfindungsgemäßen Fügeelements ermöglicht es, dass kein Butzen aus dem zweiten Bauteil aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.400 MPa abgetrennt wird. Vielmehr wird das Material des zweiten Bauteils durchtrennt und danach fließend aufgeweitet (vgl. Figur 12b).

6. Bezugszeichenliste

1 Fügeelement 10 Kopf 12 Oberseite 14 Unterseite 16 Ringnut

20 Spitze

22 kreisförmiger Bereich 24 konvexer kreisförmiger Endbereich 26 plastisch deformierter Endbereich

30 Schaft 32 Oberflächenprofilierung

40 Butzen 100 erste Ausführungsform eines Fügeelements

200 zweite Ausführungsform eines Fügeelements 300 dritte Ausführungsform eines Fügeelements 400 vierte Ausführungsform eines Fügeelements 500 fünfte Ausführungsform eines Fügeelements 600 sechste Ausführungsform eines Fügeelements

700 siebte Ausführungsform eines Fügeelements d _E Durchmesser des konvexen kreisförmigen Endbereichs d _K Durchmesser des Kopfs d _S Durchmesser des Schafts h _K Höhe des Kopfs l _G Gesamtlänge des Fügeelements l _S Länge des Schafts r ₁ Radius des kreisförmigen Bereichs r ₂ Radius des konvexen kreisförmigen Endbereichs

A erstes Bauteil B zweites Bauteil L Längsachse M Mittelpunkt

S Senkrechte