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EFB-Forschungsbericht Nr. 365

Eignung von Loch und Gewinde formenden Schrauben zum Fügen von Mehrblechverbindungen

efb365

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Wirt.-Ing. Philipp Nagel, Dipl.-Wirt.-Ing. Frederic Flüggen, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

142 Seiten (sw, 92 teils farbige Abb., 25 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-407-0

Preis (Digital) EUR 56,20

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

Bei der Umsetzung von innovativen Leichtbaukonzepten stoßen die konventionellen wärmeintensiven thermischen Fügeverfahren immer mehr an ihre Grenzen. In diesem Zusammenhang lässt sich das Verbinden von Mischbauweisen aus artverschiedenen Werkstoffen und die zum Teil nur einseitige Zugänglichkeit der Fügestellen durch Schalen- und Space-Frame-Bauweisen nennen. Die Weiterentwicklung der Fügetechnik spielt hierbei eine wesentliche Rolle, um die Umsetzung des Leichtbaugedankens zu gewährleisten. Mit den mechanischen Fügetechniken wie beispielsweise dem Clinchen und dem Stanznieten ist das Fügen artverschiedener Werkstoffe möglich, jedoch benötigen diese Technologien eine zweiseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle. Als eine einseitige Alternative stellen sich Loch und Gewinde formende Schrauben dar, die in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt worden sind.

Bei dieser Technologie handelt es sich um eine kostengünstige und technisch weiterentwickelte Variante der Schraubtechnik mit dem Ziel, den neuen Anforderungen zu genügen. Der Einsatz dieser Technologie hat sich bereits bei der PKW-Karosseriefertigung für Aluminium-Dünnblechverbindungen bewährt und findet hier bereits Anwendung. Für den Einsatz dieser innovativen Fügetechnologie zum Fügen von dicken Mehrblechverbindungen in Mischbauweise mit Beteiligung hochfester Stahlwerkstoffe, muss die Fügetechnologie noch weiterentwickelt werden.

Ziel des Forschungsprojektes war es, die Einsatzmöglichkeiten Loch und Gewinde formender Schrauben hinsichtlich des Verbindens mehrlagiger Metallblechverbindungen zu analysieren und Handlungsempfehlungen zur Erweiterung der Einsatzgrenzen zu erarbeiten. Um dieses Ziel zu erreichen wurde durch umfangreiche Fügeuntersuchungen zunächst das Potenzial unterschiedlicher am Markt verfügbarer Hilfsfügeelemente hinsichtlich ihrer Eignung zum Fügen von Mehrblechverbindungen analysiert und daraus Maßnahmen zur Optimierung der geometrischen Gestalt der Schrauben abgeleitet.

Des Weiteren wurden der Einfluss der Prozessparameter auf den Prozessablauf in Abhängigkeit der unterschiedlichen Schraubsysteme systematisch analysiert und Handlungsempfehlungen bezüglich der Prozessführung abgeleitet.

Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse wurden Festigkeitskennwerte von Mehrblechverbindungen unter statischer und zyklischer Belastung ermittelt. Aufgrund einer starken mechanischen und thermischen Belastung der Schraubenspitze und der Schraubenbeschichtung wurden Korrosionsuntersuchungen und Versuche zu einer möglichen Wasserstoffversprödung durchgeführt. In der Summe konnte mit den Untersuchungen gezeigt werden, dass das Fügen von mehrlagigen artreinen Aluminiumverbindungen als auch Aluminium-Stahl-Mischbauverbindungen möglich ist. Bei Mischbauverbindungen ergibt sich allerdings die Einschränkung, dass zum Durchdringen der Stahllage deutlich höhere Axialkräfte benötigt werden, welche auf den heute zumeist eingesetzten Roboterkonzepten nicht erzielt werden können. Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Eignung von Loch und Gewinde formenden Schrauben zum Fügen von Mehrblechverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16694N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 365 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The implementation of innovative, lightweight design continues to stretch the conventional heat-intensive thermal joining processes to their limits. The bonding of different materials with a one-sided accessibility of the joining area is worth mentioning in this context. Further development of joining technology plays an essential role in ensuring the implementation of the lightweight concept. Joining of different material by means of mechanical joining techniques is possible, for example with clinching and selfpiercing rivets. However, these technologies require a two-sided access to the joint.

The use of hole and thread forming screws lend themselves nicely as a one-sided alternative, as they have been continuously developed over the past years. This technology is cost effective and a further development of screwing-technology, aiming to meet new requirements. This technology has already been proven in car body manufacturing for thin aluminum sheet joints and is being applied here as well. However, the joining technology must be further developed for application in the joining of multi-layer sheets in multi-material design.

The aim of the research project was to analyze possible applications of hole- and threadforming screws regarding the connecting of multi-layer metal sheets, and additionally to develop possibilities for expanding the operating limits. In order to achieve this goal, extensive research in the joining of different market available threadforming screw systems was conducted. The possibility of joining multi-plate connections was also researched. Based on these results the geometrical shapes of hole and thread forming screws were optimized. Furthermore, the influences of the different process parameters for the process operation were analyzed according to the different screw systems. Strength characteristics for multi-plate connections under static and cyclic loading were determined based on the research results. Corrosion tests and experiments for a possible hydrogen embrittlement were carried out, due to the high mechanical and thermal load of the screw tip and the screw coating.

These experiments were able to show that the joining of multi-plate aluminum and aluminum-steel connections is possible. One restriction in joining steel with aluminum in multi-plate structures is that significantly higher axial forces are needed to penetrate steel. These high axial forces could not be achieved with conventional robot concepts, therefore innovative new concepts are needed. The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Formelzeichen
Abbildungen und Tabellen
Zusammenfassung
1 Einleitung
2 Stand der Forschung und Zielsetzung
3 Versuchswerkstoffe & Hilfsfügeelemente
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Hilfsfügeelemente
3.2.1 Ejot FDS
3.2.2 Arnold Flowform
3.2.3 Betzer Pentadrill
3.3 Verwendete Klebstoffe
4 Fügeeinrichtungen
4.1 LWF-Laborschraubautomat
4.2 Schraubautomat Weber-RSF
5 Prüfkörper
5.1 Kreuzkopfzugprobe
5.2 Scherzugprobe
5.3 Lastfallkonfiguration
6 Prüfverfahren und -einrichtungen
6.1 Ermittlung von Verbindungskennwerten unter quasistatischer Belastung
6.2 Ermittlung von Verbindungskennwerten unter zyklischer Belastung
6.3 Korrosionsuntersuchungen
7 Bemusterungsversuche & Einflussanalyse
7.1 Herstellung der Schraubverbindungen
7.2 Einflussanalyse
7.2.1 Einfluss der Axialkraft
7.2.2 Einfluss der Drehzahl
7.2.3 Einfluss der Anzahl an Blechlagen
7.3 Bemusterung der ausgewählten Werkstoffkombination
7.3.1 Artreine Aluminiumverbindungen
7.3.2 Aluminium-Guss-Verbindung
7.3.3 Aluminium-Stahl-Mischbauverbindungen
8 Charakterisierung des Verbindungstragverhaltens
8.1 Tragverhalten unter quasistatischer Beanspruchung
8.1.1 Einfluss des Anziehdrehmomentes
8.1.2 Einfluss des Lastfalls
8.1.3 Einfluss der Schraubenkopfgeometrie
8.1.4 Tragverhalten artreiner Aluminiumverbindungen
8.1.5 Tragverhalten Aluminiumguss-Verbindung
8.1.6 Tragverhalten Aluminium-Stahl-Mischverbindungen
8.2 Tragverhalten unter zyklischer Beanspruchung
8.2.1 Artreine Aluminiumverbindung
8.2.2 Aluminium-Stahl-Mischbauverbindungen
9 Fließlochschrauben in Kombination mit dem Kleben
9.1 Untersuchungen zur Beeinflussung der Klebschichtausbildung
9.1.1 Einfluss der Niederhalterkraft
9.1.2 Einfluss des Anziehdrehmoments
9.2 Tragverhalten von hybridgefügten Verbindungen
10 Untersuchungen zum Korrosionsverhalten
10.1 Artreine Aluminiumverbindung
10.2 Aluminium-Stahl-Mischbauverbindung
10.3 Hybridgefügte Verbindung
10.4 Tragverhalten nach Korrosionsbelastung
11 Bewertung der Wasserstoffversprödungsgefahr
11.1 Grundlagen
11.2 Vorversuche zum Nachweis der Wasserstoffaufnahme
11.3 Ermittlung der Bruchlasten und der Lastfallkonfiguration
11.4 Versuchsmethodik
11.5 Ergebnisse der Wasserstoffversprödungsversuche
12 Ergebnisse
13 Literaturverzeichnis