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EFB-Forschungsbericht Nr. 239

Umform- und verbindungstechnische Merkmale des Vollstanznietens mit Mehrbereichsniet

efb239.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Jan Kalich - Institut für Produktionstechnik (IPT) der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Thomas Wiese - Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

120 Seiten (sw 133 teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-197-0

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 65,30

Zusammenfassung

Mehrbereichsvollstanzniete zeichnen sich gegenüber den Standardvollstanznieten aus verbindungstechnischer Sicht durch Vorteile bezüglich verbessertem Arbeitsaufnahmevermögen insbesondere unter quasistatischer Scherzugbelastung von Überlappverbindungen aus. Unter stoßartiger Belastung geprüfte Probenkörper zeigen ein analoges Verhalten.

Die unter dynamisch schwellender Belastung geprüften Verbindungen mit Mehrbereichsvollstanzniet weisen verfahrensbedingt eine im Wöhlerdiagramm im Vergleich zu mit Standardvollstanzniet gefügten Verbindungen geringere Zeitstandfestigkeit auf. Mit der Anordnung mehrerer Nuten entlang des Nietschaftes wird die definierte Formschlussausbildung sowohl für unterschiedliche Fügeteileinzel- und / oder gesamtdicken als auch Fügeteilfestigkeiten in weiten Grenzen gewährleistet. Fügeparameter und Matrizengeometrie bleiben dabei unverändert, was unmittelbar zur Verringerung des logistischen Aufwandes (je nur 1 Vollstanzniet, 1 Matrize und 1 Fügeparametersatz) beim Vollstanznieten mit Mehrbereichsniet führt.

Dieses spezifische Merkmal des Mehrbereichsvollstanznietes erlaubt problemlos den Ausgleich von unterschiedlichen Fügeteildicken, wie sie bei Aluminium-Druckgussteilen und stark umgeformten Fügeteilen typisch sind.

Auch bei ungünstigen Umformeigenschaften der Fügepartner treten keine Schädigungen von Vollstanzniet und Fügeteilwerkstoff im Sinne von Rissen und Deformationen auf. Für erstmals untersuchte Aluminium-Mehrbereichsvollstanzniete wurde deren alternative Anwendbarkeit für Aluminium-Fügeteile nachgewiesen. Wobei die materialbedingten Verfahrensgrenzen signifikant enger als die des vergleichbaren Stahl-Mehrbereichsvollstanznietes gefasst werden. Damit besteht prinzipiell die Möglichkeit Aluminiumkonstruktionen sortenrein mechanisch zu fügen. Nach korrosiver Belastung zeigen sich alle untersuchten Verbindungstypen hinsichtlich quasistatischer Verbindungsfestigkeit unverändert zum Ausgangszustand ohne Korrosion.

Das Forschungsvorhaben "Umform- und verbindungstechnische Merkmale des Vollstanznietens mit Mehrbereichsniet" wurde unter der Fördernummer AiF 13503BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. Der Abschlußbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 239 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Multi zone self piercing rivets are characterized by advantages concerning the work absorption
ability in comparison to conventional self piercing rivets, especially under quasi-static shear tensile load of overlap joinings. Specimen tested under impulsive load show an analogous behaviour.

The Joinings with multi zone self piercing rivets tested under dynamically tumescent load show a worse creep resistance concerning the stress-cycle-diagram than Joinings with conventional self piercing rivets. The arrangement of several grooves along the rivet shank guarantees a defined form fit formation for the different assembly part single- and / or over-all thickness as well as the
assembly part resistances in wide boundaries.

In this case, joining parameters and die geometry stay unmodified, which leads directly to a reduction of the logistical expenditure (only 1 self piercing rivet, 1 die and 1 set of joining parameters each) while solid self piercing rivets with multi zone self piercing rivets.
The specific feature of the multi zone self piercing rivet allows the compensation of different assembly part thicknesses which is typical for aluminum die cast parts and strongly transformed joining parts.


Also with unfavourable form(ing) properties of the joining partners there are neither damages of the self piercing rivet nor the assembly part material such as cracks and deformations recognizable. The alternative application of aluminum multi zone self piercing rivets, which were researched for the first time, were verified for aluminum assembly parts. In this case the process boundaries are significant narrower than the ones of the comparable steel multi zone self piercing rivet. This fact offers the possibility of joining aluminum constructions in an authentic mechanical way.

After corrosive load all joining types show unchanged with regard to quasi-static load in comparison to the initial state without corrosion.

Inhalt

0 Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Zielsetzung
3 Stand der Technik
4 Versuchswerkstoffe
4.1 Aushärtbare Aluminiumbleche AlMgSi
4.2 Naturharte Aluminiumbleche AlMg5Mn
4.3 Strangpressprofile AlMgSi0,5
4.4 Aluminiumdruckgusswerkstoff AlSi10Mg
5 Versuchseinrichtungen
5.1 Die Setzeinrichtungen am IPT
5.2 Die Setzeinrichtungen am LWF
5.3 Die Prüfeinrichtungen am IPT
5.3.1 Prüfung der Werkstoffkennwerte
5.3.2 Prüfung der quasistatischen Verbindungsfestigkeit
5.4 Die Prüfeinrichtungen am LWF
5.4.1 Prüfung der Verbindungsfestigkeit unter quasistatischer Belastung
5.4.2 Prüfung der Verbindungsfestigkeit unter schwingender Belastung
5.4.3 Prüfung der Verbindungsfestigkeit unter schlagartiger Belastung
5.5 Eingesetzte Probenformen
5.5.1 Flachschulterprobe
5.5.2 Einpunktüberlappprobe
5.5.3 KS2-Probe
5.6 Probengeometrie der Gusswerkstoffe
6 Stahl – Mehrbereichsniet
6.1 Analyse der Fügeelementausbildung
6.1.1 Stufensetzversuch
7 Versuchsdurchführung
7.1 Auswahl Fügeteilpaarungen und Erstellung einer Versuchsmatrix
7.1.1 Qualitative und quantitative Beurteilung der Stanznietverbindungen
7.1.2 Einsatzcharakteristik Mehrbereichsvollstanzniet
7.1.3 Fügen von Mischverbindungen mit Mehrbereichsvollstanzniet
7.1.4 Stanznieten im Fügeteilzustand T6 Reparaturfall
7.2 Prüfung der Verbindungsfestigkeit
7.2.1 Quasistatische Verbindungsprüfung an Einpunktüberlappproben
7.2.1.1 Standardniet AlMg0,8Si0,9 t1=1,15mm / AlMgSi0,5 t2=2,00mm
7.2.1.2 Mehrbereichsniet AlMg0,8Si0,9 t1=1,15mm / AlMgSi0,5 t2=2,00mm .44
7.2.1.3 Standardniet AlMg5Mn t1=2,00mm / AlMgSi0,5 t2=2,00mm
7.2.1.4 Mehrbereichsniet AlMg5Mn t1=2,00mm / AlMgSi0,5 t2=2,00mm
7.2.1.5 Standardniet AlMg0,4Si1,2 t1=1,15mm / AlSi10Mg t2=2,00mm
7.2.1.6 Mehrbereichsniet AlMg0,4Si1,2 t1=1,15mm / AlSi10Mg t2=2,00mm
7.2.2 Quasistatische Verbindungsprüfung an KS2-Proben
7.2.2.1 Quasistatisch an KS2-Proben 0° (Scherzug)
7.2.2.2 Quasistatisch an KS2-Proben 90° (Kopfzug)
7.2.3 Schwingende Belastung KS2–Probe 0°(Scherzug)
7.2.3.1 Kombination AlMg0,4Si1,2; t1=1,15mm / AlMgSi0,5; t2=2,00mm
7.2.3.2 Kombination AlMg5Mn; t1=2,00mm / AlMgSi0,5; t2=2,00mm
7.2.4 Schlagartige Belastung KS2-Probe 0° (Scherzug)
7.2.4.1 Kombination AlMg0,4Si1,2; t1=1,15mm / AlMgSi0,5; t2=2,00mm
7.2.4.2 Kombination AlMg5Mn; t1=2,00mm / AlMgSi0,5; t2=2,00mm
7.3 Aluminiummehrbereichsniet
7.3.1 Quasistatische Verbindungsprüfung an Einpunktüberlappproben
7.3.1.1 Aluminiumniet Scherzug
7.3.1.2 Aluminiumniet Schälzug
7.3.2 Quasistatische Verbindungsprüfung an KS2-Proben
7.3.2.1 Aluminiumniet KS2-Probe 0° (Scherzug)
7.3.2.2 Aluminiumniet KS2-Probe 90° (Kopfzug)
7.3.3 Schwingende Belastung KS2–Probe 0°(Scherzug)
7.3.4 Schlagartige Belastung KS2–Probe 0° (Scherzug)
8 Korrosionsuntersuchungen
8.1 Salzsprühkammer
8.2 Probenauswertung
8.2.1 Mehrbereichsniet – Stahl
8.2.1.1 Serie 1
8.2.1.2 Serie 2
8.2.2 Al-Mehrbereichsniet Serie 3
9 Prozessverhalten beim Stanznieten mit Mehrbereichsniet
10 Zusammenfassung
11 Literaturverzeichnis