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EFB-Forschungsbericht Nr. 252

Einsatz von Aluminium-Funktionselementen bei Aluminiumanwendungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Frank Heimlich, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn

159 Seiten (sw 178 Abb., 3 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-212-0

Preis (Digital) EUR 47,00

Preis (Print) EUR 52,40

Zusammenfassung

Aufgrund des zunehmenden Leichtbaus und des damit verbundenen Einsatzes neuer und leichter Werkstoffe in vielen Bereichen der blechverarbeitenden Industrie, kommt es u. a. in der Automobilindustrie immer häufiger zum Einsatz von Aluminiumlegierungen.

Bedingt durch die Umstellung auf Aluminiumwerkstoffe, die nicht nur artrein sondern auch in Mischbauweise mit anderen Werkstoffen verbunden werden, muss auch eine Anpassung der Fügeverfahren erfolgen. Hier bieten mechanische Fügeverfahren wie Clinchen, Stanznieten aber auch das Verbinden mit Hilfe von Funktionselementen, als Verfahren, das eine lösbare Verbindung ermöglicht, ein großes Potential. Bei Letzteren befinden sich derzeit überwiegend schwere Stahlfunktionselemente im Einsatz, die zur Vermeidung von Kontaktkorrosion mit aufwendigen Beschichtungen zu versehen sind. Auch in Bezug auf Recycling, welches eine immer größere Bedeutung gewinnt, muss bei Stahlelementen in Aluminiumbauteilen am Ende der Produktlebenszeit eine aufwendige Trennung erfolgen.

Als Alternative zu den Funktionselementen aus Stahl, wurden und werden daher Funktionselemente aus Aluminium entwickelt. Zurzeit existieren jedoch noch keine Kennwerte in Bezug auf das Einbring-, Festigkeits- oder das Korrosionsverhalten dieser Funktionselemente bzw. der mit Hilfe dieser Funktionselemente erstellten Gesamtverbindungen. Auch gibt es keine Informationen darüber, wie sich Funktionselemente aus Aluminium gegenüber einer thermischen Belastung oder durch schwankende Prozessrandbedingungen, wie z. B. Vorlochtoleranzen, verhalten.

Um einen kalkulierbaren Einsatz von Funktionselementen aus Aluminium beispielsweise im Automobilbau zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieses Projekts eine Reihe unterschiedlicher Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen ließen sich grob in zwei Gruppen unterteilen: Untersuchungen am eingebrachten Funktionselement (unverschraubt) und Untersuchungen an verschraubten Gesamtverbindungen.

Die Ergebnisse wurden aus Referenzgründen denen von Stahlelementen gegenüber gestellt.

Zunächst wurden die Vorgänge während des Einbringens der Funktionselemente betrachtet. Es wurden Fügekraft-Weg-Verläufe sowohl für Aluminium-, als auch für Stahlelemente aufgenommen, die zu einer genaueren Beschreibung des Fügevorgangs und somit für die Auslegung von Fügewerkzeugen dienen sollen. Dabei zeigte sich, dass die Elemente aus Aluminium mit wesentlich geringeren Setzkräften einzubringen sind. Zur Beurteilung der Fügeelementausprägungen wurden Schliffbilder der gesetzten Elemente erstellt. Mit Hilfe dieser Schliffbilder können qualitätsrelevante Kenngrößen geprüft und verglichen werden.

Exemplarisch wurden Gewindeabstreifversuche durchgeführt, die aufgrund des Funktionselementwerkstoffes klare Vorteile bei den Stahlelementen zeigten, für die praktische Anwendung jedoch eine untergeordnete Rolle spielen. Mit Hilfe der Ergebnisse der Verdrehfestigkeitsversuche, die in 3 Varianten durchgeführt wurden, können Aussagen bzgl. der Festigkeit der Elemente im Fügteilwerkstoff getroffen werden. Die Durchzugwiderstandsversuche zeigten nur leichte Vorteile der Festigkeitswerte auf Seiten der Funktionselemente aus Stahl. Das große Potential der Stahlelemente konnte hier nicht abgerufen werden, da es in der Regel zu einem Versagen des Fügeteilwerkstoffes kam und so auch die Elemente aus Aluminium die nötigen Festigkeiten aufbrachten. Auf Vorlochtoleranzen wie steigende Vorlochdurchmesser, reagierten sowohl Aluminium- als auch Stahlelemente mit einem Verlust der Verdrehfestigkeit.

Auch bei den Festigkeitsuntersuchungen unter quasistatischer und unter dynamischer Belastung, geprüft an einfach überlappten Scherzugproben bzw. an LWF-KSII Proben, zeigte sich lediglich eine geringfügig höhere Festigkeit der Funktionselemente aus Stahl, da auch hier der Fügeteilwerkstoff versagensrelevant war.

Deutlich größere Werte wiesen die Funktionselemente aus Stahl jedoch im Bereich der Klemmkrafteinbringung auf. Hier konnte aufgrund der höheren Gewindefestigkeit eine wesentlich größere Klemmkraft zwischen den zu verbindenden Probenhälften aufgebracht werden.

Eine Temperaturbeaufschlagung einer mit Hilfe von Funktionselementen gefügten Verbindung zeigte, dass es zu keinem Klemmkraftverlust zwischen den Bauteilen kam, wenn artreine Funktionselemente und Verschraubpartner eingesetzt wurden.

Zu einem Festigkeitsverlust kam es hingegen, wenn eine Stahlschraube in ein Aluminiumfunktionselement eingeschraubt wurde. Diesem Effekt kann jedoch durch ein Nachziehen der Schrauben im Anschluss an die Temperaturbelastung oder eine entsprechende Montagefolge begegnet werden.

Bei den Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit konnten deutlich bessere Ergebnisse mit den Aluminiumfunktionselementen erzielt werden. Während die Aluminiumelemente die 840 Stunden in der Salzsprühnebenkammer völlig unbeschadet überstanden, kam es bei den Stahlelementen zu deutlichen Korrosionserscheinungen, die sich auch auf die Festigkeit der Verbindungen auswirkten.

Im Rahmen der Untersuchungen konnte insgesamt gezeigt werden, dass Aluminiumfunktionselemente für den Einsatz in Aluminiumwerkstoffe große Potentiale bieten.

Zwar haben Funktionselemente aus Stahl aufgrund des Elementwerkstoffs grundsätzlich eine größere Festigkeit, können diese jedoch in Aluminiumfügeteilen nicht zur Geltung bringen, da oftmals der Aluminiumfügeteilwerkstoff bei den genannten Verbindungen versagensrelevant ist. Deutlich zeigten sich auch Vorteile der Aluminiumelemente im Bereich der Korrosion.

Der vorliegende Abschlussbericht bietet die Basis für einen kalkulierbaren Einsatz von Aluminiumfunktionselementen in Aluminiumbauteilen.

Das Forschungsvorhaben "Einsatz von Aluminium-Funktionselementen bei Aluminiumanwendungen" wurde unter der Fördernummer AiF 13824N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 252 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Einordnung der mechanischen Fügeverfahren
2.2 Verfahrensvarianten
2.2.1 Nietmutter
2.2.2 Blindnietmutter
2.2.3 Einpresselemente
2.2.4 Stanzbolzen
3 Zielsetzung
4 Fügeteilwerkstoffe und Versuchseinrichtungen
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.2 Versuchseinrichtungen, Probengeometrien und Kennwertermittlung
4.2.1 Metallografische Untersuchungen
4.2.2 Quasistatische Festigkeitsprüfung
4.2.3 Dynamische Festigkeitsprüfung
4.2.4 Korrosionsuntersuchungen
5 Untersuchte Funktionselemente
6 Ergebnisse der Untersuchungen am Funktionselement
6.1 Ermittlung von Fügeparametern während des Setzvorganges
6.2 Gewindefestigkeit
6.3 Beurteilung der Fügeelementausprägung
6.4 Quasistatische Festigkeitskennwerte
6.4.1 Verdrehfestigkeitsprüfung
6.4.2 Durchzugwiderstandprüfung
6.5 Einfluss von Vorlochtoleranzen auf das eingebrachte Funktionselement
7 Ergebnisse der Untersuchungen an der Gesamtverbindung
7.1 Quasistatische Festigkeitskennwerte in der Scherzugwiderstandprüfung
7.2 Klemmkraftermittlung
7.3 Ermittlung dynamischer Festigkeitskennwerte
8 Einfluss einer Temperatureinbringung auf die Funktionselemente und die erstellten Verbindungen
8.1 Temperaturbeeinflussung eines eingebrachten Funktionselements
8.2 Temperaturbeeinflussung einer Gesamtverbindung
9 Untersuchungen zum Korrosionseinfluss
9.1 Untersuchungen an gesetzten Funktionselementen
9.2 Untersuchungen an der Gesamtverbindung
10 Zusammenfassung
11 Literatur
12 Anhang