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EFB-Forschungsbericht Nr. 481

Mechanisches Fügen und Hybridfügen von Metall-Kunststoff-Hybriden mit Metallen

efb481

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Christopher Schmal, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

196 Seiten (sw, 205 teils farbige Abb., 31 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-533-6

Preis (Digital) EUR 73,00

Preis (Print) EUR 82,00

Zusammenfassung

Neuartige Werkstoffsysteme wie z.B. Sandwichwerkstoffe mit metallischen Deckschichten und Polymerkern erfordern eine Erprobung und Absicherung von geeigneten Verarbeitungsverfahren, um eine industrielle Anwendung zu erlangen. Hierbei spielt insbesondere die Fügetechnik eine maßgebliche Rolle. Das Projekt „Mechanisches Fügen und Hybridfügen Sandwich-Metall" setzt genau in diesem Punkt an und untersucht die Anwendbarkeit ausgewählter mechanisch und thermisch basierter Fügeverfahren zur Erstellung von Sandwich-Stahl-Verbindungen.

Die erfolgreich erstellten Verbindungen wurden unter verschiedenen Lasteinleitungsrichtungen und Belastungsarten analysiert. Weiterhin wurde stichprobenartig die Korrosionsbeständigkeit sowie die Gegenüberstellung mit Aluminium-Stahl-Referenzverbindungen betrachtet. Als Fügepartner zweier unterschiedlich dicker Sandwichwerkstoffe dienten verschiedene Stahlpartner unterschiedlicher Güten, beginnend mit einem Tiefziehstahl bis hin zu einem höchstfesten pressharten Stahl.

Das Projekt zeigte, dass die Fügeeignung der Sandwichwerkstoffe zu einem großen Teil vom weichen Kernwerkstoff abhängig ist, die Kombination mit unterschiedlich festen Stahlwerkstoffen mit unterschiedlichen Materialstärken jedoch ebenfalls eine hohe Relevanz besitzt. Als sehr individuell einsetzbare Fügetechniken wurden das Clinchen, Halbhohlstanznieten sowie das Widerstandspunktschweißen identifiziert. Aussagen zur Korrosionsbeständigkeit sowie zur Schwingfestigkeit ausgewählter Materialfügeverfahrenskombinationen können weiterhin dem Abschlussbericht entnommen werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Mechanisches Fügen und Hybridfügen von Metall-Kunststoff-Hybriden mit Metallen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18799N 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. 481 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

For an industrial application, new and innovative materials have to be examined concerning their processing behavior and properties like forming and one of the most important factors, the joining. The project "mechanical joining and hybrid joining of metal-polymer-hybrid materials with metals" addresses the evaluation of applicability of selected mechanical and thermal based joining methods and the resulting joint properties like load bearing capacity and more.

Furthermore, the resistance against corrosion and the comparison with reference joints with aluminum sheets instead of sandwich materials has been investigated on a random basis. The tested materials were two different sandwich materials consisting out of steel coversheets and a polymer core layer which were joined with five different steel based partner with different material properties and application fields, like deep drawing steel, press hardened-manganese-boron steels and other steels. The results of the project showed, that the joinability of sandwich-steel-combinations not only depends on the behavior of the soft core material of the sandwich, but also depends on the steel joining partner.

Based on the investigations, clinching, self-pierce riveting with semi-tubular rivets and resistance spot welding showed a wide application field in joining of different sandwich-steel-combinations.

Furthermore, the project results could help an potential applicant of the mentioned materials by showing the corrosion behavior and mechanism and the load bearing capacity under long term tests with oscillating load for selected material-joining method-combinations.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Sandwich- bzw. Hybridwerkstoffe im industriellen Einsatz
3 Versuchswerkstoffe, Fügeverfahren, Fügeanlagen und Hilfsfügeteile
3.1 Sandwichwerkstoffe
3.1.1 LITECOR® (C6105: t = 0,8 mm / S1633: t = 1,6 mm)
3.1.2 DIBOND®
3.2 Metallische Werkstoffe (monolithisch)
3.2.1 DC04+Z100 (t = 1,5 mm)
3.2.2 HC340LA+ZE50/50 (t = 0,8 mm)
3.2.3 HX340LAD+Z100 (t = 1,5 mm)
3.2.4 HCT780X+Z100 (t = 1,44 mm)
3.2.5 22MnB5+AS150 (t = 1,5 mm)
3.3 Klebstoff BETAMATE™ 1480V203
3.4 Fügeverfahren
3.4.1 Halbhohlstanznieten (HHSN)
3.4.2 Clinchen (CL)
3.4.3 Vollstanznieten (VSN)
3.4.4 Bolzensetzen (BS)
3.4.5 Fließlochformendes Schrauben (FLS)
3.4.6 Widerstandselementschweißen (WES)
3.4.7 Reibelementschweißen (RES)
3.4.8 Blindnieten (BN)
3.4.9 Widerstandspunktschweißen/Nebenschlusswiderstandspunktschweißen
3.4.10 Hybridfügen
3.5 Fügeanlagen
3.5.1 Halbhohlstanznietanlage Böllhoff Gen2
3.5.2 Vollstanznietanlage TOX
3.5.3 Bolzensetzanlage Böllhoff
3.5.4 Fließlochformschraubanlage Weber Schraubautomat
3.5.5 Widerstandspunkschweißanlage Bosch Rexroth
3.5.6 Reibelementschweißanlage RSM401
3.5.7 Blindnietsetzgerät „Taurus 4"
3.6 Hilfsfügeteile
3.6.1 Halbhohlstanzniete
3.6.2 Vollstanzniete
3.6.3 Setzbolzen
3.6.4 Fließlochformschrauben
3.6.5 Widerstandselemente
3.6.6 Reibelemente
3.6.7 Blindniet
4 Verwendete Probengeometrien und Prüftechnik
4.1 Verwendete Probengeometrien
4.1.1 Werkstoffsubstanz/-zugprobe
4.1.2 Fügeversuchsprobe
4.1.3 Einschnittig überlappte Scherzugprobe
4.1.4 Elementkopfzugprobe
4.1.5 Kreuz-Kopfzugprobe
4.2 Verwendete Prüfmaschinen
4.2.1 Universalprüfmaschine Zwick Z100
4.2.2 Universalprüfmaschine Zwick 1486
4.2.3 Universalprüfmaschine Nene M3000
4.2.4 HG-Prüfmaschine Instron VHS 25/20
4.2.5 Pulser Instron 8801
4.2.6 Korrosionskammer Liebisch® Labortechnik, SKB1000 A-TR
4.2.7 Härtemessgerät Fischerscope® HM2000
5 Versuchsergebnisse
5.1 Halbhohlstanznieten (HSN)
5.1.1 LITECOR® C6105 + DC04
5.1.2 LITECOR® S1633 + DC04
5.1.3 LITECOR® C6105 + HX340LAD
5.1.4 LITECOR® S1633 + HX340LAD
5.1.5 LITECOR® (C6105 & S1633) + HC340LA
5.1.6 LITECOR® + HCT780X gefügt mit Dommatrizen
5.1.7 LITECOR® C6105 + HCT780X
5.1.8 LITECOR® S1633 + HCT780X
5.1.9 Analyse der Gefahr von möglichen Delaminationen beim Halbhohlstanznieten von Sandwichwerkstoffen
5.1.10 Scherzugprüfung unter schlagartiger Belastung
5.1.11 Simulation des Halbhohlstanznietprozesses
5.2 Clinchen (CL)
5.2.1 Verbindungen erstellt mit sich öffnenden Matrizensystemen (BTM)
5.2.2 Korrosionsuntersuchungen
5.2.3 Simulation des Clinchprozesses
5.3 Vollstanznieten (VSN)
5.4 Bolzensetzen (BS)
5.4.1 LITECOR® + HC340LA
5.4.2 LITECOR® + HX340LAD und LITECOR® + HCT780X
5.5 Fließlochformendes Schrauben (FLS)
5.5.1 LITECOR® C6105 + HX340LAD
5.5.2 LITECOR® S1633 + HX340LAD
5.5.3 Analyse des Einflusses einer KTL-Aushärtung auf die FLS-Verbindung
5.6 Widerstandselementschweißen (WES)
5.6.1 LITECOR® + HCT780X
5.6.2 LITECOR® + 22MnB5 und LITECOR® + HX340LAD
5.6.3 LITECOR® + 22MnB5 - Ergebnisse der Tragfähigkeitsuntersuchungen
5.6.4 WES Hybridfügen
5.6.5 Widerstandselementschweißen mit Störeinflüssen
5.7 Reibelementschweißen (RES)
5.8 Nebenschlusswiderstandspunktschweißen (NWPS)
5.9 Blindnieten der Verbindung DIBOND® + DC04 (Kurzstudie)
5.10 Gegenüberstellung der betrachteten Fügeverfahren
5.10.1 LITECOR® + DC04
5.10.2 LITECOR® C6105 + HX340LAD
5.10.3 LITECOR® S1633 + HX340LAD
5.10.4 LITECOR® C6105 + HCT780X
5.10.5 LITECOR® S1633 + HCT780X
5.10.6 LITECOR® + 22MnB5
5.11 Gegenüberstellung: Sandwich vs. Aluminium
5.11.1 Referenzverbindungen gefügt mittels Halbhohlstanznieten
5.11.2 Vergleich des Tragverhaltens von Halbhohlstanznietverbindungen von LITECOR® und EN AW-5182-Deckblech unter schlagartiger Scherzugbelastung
5.11.3 Referenzverbindungen gefügt mittels fließlochformendem Schrauben
5.12 Schwingfestigkeit gefügter Verbindungen
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
8 Weiterführende Informationen
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
9 Anhang
9.1 Prüfmaschinen
9.2 Ergebnisse zum Halbhohlstanznieten
9.3 Ergebnisse zum Clinchen
9.3.1 Weitere Untersuchungen mit sich öffnender Matrize (BTM-Technologie)
9.3.2 Untersuchungen mit TOX-Rundpunkttechnologie
9.3.3 Versuche mit geschlossener Matrize (Eckold-Technologie)
9.3.4 Untersuchungen zur KTL-Tauglichkeit und Korrosionsbeständigkeit
9.4 Ergebnisse zum Bolzensetzen
9.5 Ergebnisse zum fließlochformenden Schrauben
9.6 Ergebnisse zum Widerstandselementschweißen
9.7 Ergebnisse zum Widerstandspunktschweißen
9.8 Ergebnisse der Referenzversuche (Halbhohlstanznieten)
9.9 Ergebnisse der Referenzversuche (Fließlochformendes Schrauben)