Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 474

Clinchen für Anwendungen mit zyklisch thermischer und mechanischer Belastung

efb474

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Masood Jalanesh, Dr.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dr. sc. techn. Oleksandr Golovko, Dr.-Ing. Dmytro Rodman, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

76 Seiten (sw, 44 Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-525-1

Preis (Digital) EUR 51,00

Preis (Print) EUR 58,00

Zusammenfassung

Als Verbindungstechnik für Bleche aus Aluminium und Stahl ist das Clinchen ein etabliertes und anerkanntes Verfahren, das gegenüber thermischen und mechanischen Fügeverfahren mit Hilfsfügeteil in zahlreichen Untersuchungen belegte Vorteile bietet. Eingesetzt wird diese Verbindungstechnik in der gesamten blechverarbeitenden Industrie, von der Luftfahrtechnik über die Haushaltsgeräteindustrie, in der Elektrotechnik bis hin zur Automobil- und Automobilzulieferindustrie.

Die Auswirkung von einmaligen und zyklisch thermischen Belastungen auf Clinchpunkte wurde in verschiedenen Forschungsprojekten untersucht. Jedoch wurde bisher weder die Kombination aus zyklischer Wärmeeinbringung und mechanischer Belastung untersucht, noch wurden die Entfestigungs- und Verfestigungsprozesse, die bei den Clinchverbindungen auftraten, adäquat analysiert. Beispiele für zyklisch thermisch und zyklisch mechanisch belastete Bauteile finden sich insbesondere im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden durch Erwärmungen und Abkühlungen abwechselnd auf Raumtemperatur bzw. auf Temperaturniveaus von 400 °C bis 900 °C zunächst zyklisch thermische Belastungsuntersuchungen an Clinchpunktproben durchgeführt. Darauf aufbauend wurde der Prüfzyklus um eine zusätzliche zyklisch mechanische Belastung erweitert. Im Untersuchungsfokus lagen sowohl ein austenitischer als auch zwei ferritische nicht rostende Werkstoffe, die mittels eines balkenförmigen und eines Rundpunkt-Clinchwerkzeugs gefügt wurden.
Die Verbindungsfestigkeit dieser Proben wurde im Anschluss an den Prüfzyklus durch einen quasistatischen Zugversuch gemessen. Dabei wurden sowohl die Auswirkungen des charakteristischen Ermüdungsverhaltens verschiedener Werkstoffe als auch die verschiedener Clinchpunkte quantifiziert. Als Ergebnis dieser Tests wurden Festigkeitssteigerungen sowie -abnahmen bei den Verbindungsfestigkeiten in Folge des Prüfzyklus festgestellt. Die hierbei zugrunde liegenden Mechanismen wurden vollständig detektiert und erläutert. Zudem erfolgten neben den Untersuchungen an den genormten Proben auch Validierungsuntersuchungen an Musterbauteilen.

Alle hier gewonnenen Erkenntnisse können sowohl vom Anwender als auch vom Zulieferer für die Auslegung oder auch Anwendung eines Clinchpunktes für eine TME-Belastung genutzt werden.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Clinchen für Anwendungen mit zyklisch thermischer und mechanischer Belastung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18410N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 474 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Clinching is an established and approved joining technique for aluminum and steel sheets offering numerous advantages over thermal and mechanical joining processes with joining elements as documented and validated in abundant studies. This joining technique is used in the entire sheet metal processing industry, from aviation technology to the appliance industry, in electrical engineering and also in the automotive and automotive supplier industries.

The effects of non-recurring and cyclic thermal stresses on clinching points were examined in several research projects. However, neither the combination of cyclical heat input and mechanical stress, nor the softening and solidification processes occurring in clinching connections, were analyzed in an adequate way before.

A few examples for cyclic thermally and cyclic mechanically stressed components can primarily be found in the exhaust systems of motorized vehicles. In this research project, cyclic thermal stress tests on clinching points were carried out, alternating between room temperature and higher temperature ranges between 400 and 900 °C. Based on this, cyclic mechanical stress was then added to the test cycle. The investigations were focused on an austenitic as well as two ferritic non-corrosive materials joined by a beam-shaped and a round-pointed clinching tool.

The joint strengths of these samples were subsequently measured in a quasi-static tensile test. The effects caused by the characteristic fatigue behavior of different materials as well as of different clinching points were quantified. The tensile test resulted in increasing as well as decreasing joint strengths as a result of the respective materials. The underlying mechanisms were fully detected and clarified. In addition to the investigation of standardized parts, validation studies on specimen components were carried out. The entire results of these investigations can be applied by users as well as suppliers in dimensioning clinching points for thermo-mechanical fatigue stress testing.
The objective of the project has been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungen
Zusammenfassung
1 Stand der Technik
1.1 Fügeverfahren im Automobilbau
1.2 Grundlagen des Clinchens
1.2.1 Einteilung der Clinchverfahren
1.2.2 Verfahrensablauf beim Clinchen
1.2.3 Die Clinchbarkeit von Werkstoffen
1.2.4 Qualitätsanalyse des Clinchpunktes
1.3 Werkstoffkunde
1.3.1 Eingesetzte Edelstähle
1.4 Einfluss zyklisch thermischer Beanspruchung auf Clinchpunkte
2 Zielsetzung und Vorgehensweise
3 Untersuchte Werkstoffe
3.1 Werkstoffkundliche Untersuchungen
3.1.1 Ferritischer Stahlwerkstoff 1.4512
3.1.2 Ferritischer Stahlwerkstoff 1.4509
3.1.3 Austenitischer Stahlblechwerkstoff 1.4301
3.1.4 Zugversuche
3.2 Parameterbestimmung
3.2.1 Bestimmung des optimalen Clinchpunktes
3.3 Ermittlung der Verbindungsfestigkeit und Härte
3.3.1 Mechanische Verbindungseigenschaften
3.3.2 Makroskopische Härtemessung
4 Zyklisch thermische Vorbelastung
4.1 Versuchsaufbau
4.2 Versuchsdurchführung
4.3 Verbindungsfestigkeit
5 TME-Prüfstand
5.1 Aufbau des Prüfstands
5.2 Experimentelle Untersuchungen
5.3 Parameteruntersuchungen für die TME-Prüfung
5.3.1 Voruntersuchungen
5.4 Versuchsdurchführung
6 Ergebnisse
6.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
7 Literaturverzeichnis