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EFB-Forschungsbericht Nr. 169

Durchsetzfügen bei Hybridbauweisen aus Stahl und Aluminium

efb169.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Martin Bangel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

167 Seiten (sw 111 Abb., 56 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-072-0

Preis (Digital) EUR 78,00

Preis (Print) EUR 87,70

Zusammenfassung

Ziel des Projektes war, die Eigenschaften geclinchter Mischverbindungen von Stahl und Aluminiumwerkstoffen unter mechanischer und thermischer Belastung zu ermitteln, um der Konstruktion und Fertigung Hinweise für eine werkstoff- und fügegerechte Gestaltung der Verbindungsstelle zu geben. Unter dem Aspekt der Verbindungsfestigkeit zeigte sich, dass der Stahlwerkstoff grundsätzlich stempelseitig angeordnet sein sollte. Unter quasistatischer Belastung lassen sich bei der Anordnung "Stahl in Aluminium" je nach Dicke und Festigkeit der Fügeteilwerkstoffe sowie abhängig von der Belastungsrichtung insbesondere unter Scherzugbelastung bis zu doppelt so hohe Maximalkräfte übertragen als bei umgekehrter Anordnung der Fügeteile. Unter schwingender Beanspruchung können die Stahl in Aluminium-Verbindungen sogar mit einer zwei- bis fünffach höheren Amplitude belastet werden.

Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeteilwerkstoffe bewirken bei Temperaturbelastung eine Reihe unterschiedlicher Effekte. Bei stempelseitiger Anordnung des Aluminiumwerkstoffes führte eine einmalige Erwärmung auf 180°C zu einer Lockerung der Verbindung durch plastische Verformung des Aluminiums. Bei Mehrelementproben kommt es bei einem großen Fügepunktabstand sowie geringer Steifigkeit der Fügeteile im Flanschbereich zu einem Aufwölben des Aluminiumbleches. Wahrend einer Temperaturbelastung von 180°C konnten Taschen mit einer Höhe von bis zu 1,7 mm gemessen werden, was insbesondere bei der Kombination des Clinchens mit dem Kleben zu berücksichtigen ist. Durch eine Verringerung des Fügepunktabstandes und einer Erhöhung der Fügeteilsteifigkeit konnten die temporären Verformungen erheblich eingeschränkt und bleibende Verwerfungen vermieden werden.

Bei stempelseitiger Anordnung der Stahlfügeteile wirkten sich Temperaturbelastungen nicht wesentlich auf die Verbindungsfestigkeit aus. Sind die Aluminiumfügeteile stempelseitig angeordnet, kann eine thermische Belastung der Bauteile, z. B. durch eine KTL-Aushärtung, zu einer Verminderung der Verbindungsfestigkeit im vorliegenden Fall um bis zu 15 % führen.

Gründe hierfür sind der erwähnte Verlust des Kraftschlusses, eine Verformung des Clinchelementes im Halsbereich bei ausreichend hoher , Temperatur und Fügeteilsteifigkeit sowie eine Entfestigung des Aluminiumwerkstoffes im Halsbereich insbesondere bei naturharten Legierungen.

Das Clinchen von Stahl und Aluminium ist prozesssicher möglich. Es sollte jedoch immer die Fügerichtung Stahl in Aluminium eingehalten werden.

Das Forschungsvorhaben „Durchsetzfügen bei Hybridbauweisen aus Stahl und Aluminium“ wurde unter der Fördernummer AiF 12081B 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. 169 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Durchsetzfligen/Clinchen
2.1.1 Technische Grundlagen
2.1.2 Einteilung der Clinchverfahren
2 .1. 3 Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.1.4 Auswirkungen einer Temperaturbelastung auf die Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.2 Mischbauweise
3 Aufgabenstellung
4 Versuchsbedingungen
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.1.1 Werkstoffeigenschaften
4.1.2 Oberflächenzustand und -Vorbereitung
4.2 Fügeverfahren
4.2.1 Einstufiges nichtschneidendes Clinchen mit ungeteilter Matrize
4.2.2 Einstufiges nichtschneidendes Clinchen mit geteilter Matrize
4.2.3 Zweistufiges nichtschneidendes Clinchen
4.3 Probenformen
4.3.1 Proben für quasistatische Zugversuche
4.3 .2 Proben für Schwingfestigkeitsuntersuchungen
4.3 .3 Proben zur E1mittlung von Verformungen bei Temperaturbelastung
4.4 Prüfverfahren und -einrichtungen
4.4.1 Beurteilung der Fügeelementgeometrie
4.4.2 Prüfung unter quasistatischer Belastung
4.4.3 Prüfung unter schwingender Scherzugbelastung
4.4.4 Versagensanalyse
4.4.5 Ermittlung der Probenverformung
5 Zusammenhang zwischen Fügeteilwerkstoff und Tragfähigkeit
6 Auswahl der Fertigungsparameter
6.1 BTM Tog-L-Loc
6.2 TOX
6.3 Spot Clinch D [R]
7 Einfluss von Fügerichtung und Belastungsart auf die Verbindungseigenschaften unter quasistatischer Belastung
7.1 Einfluss der Fügerichtung aufFügeelementausbildung und Tragfähigkeit unter Scher- und Schälzugbelastung
7.1.1 BTM Tog-L-Loc
7.1.1.1 Fügeteilkombination H340 (1,0 mm) und A1Mg5Mn (1,2 mm)
7.1.1.2 Fügeteilkombination DC04 (0,8 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.1.1.3 Fügeteilkombination DC04 (1,15 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.1.2 TOX
7 .1.2.1 Fügeteilkombination H340 (1 ,0 mm) und A1Mg5Mn (1 ,2 mm)
7.1.2.2 Fügeteilkombination DC04 (0,8 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.1.2.3 Fügeteilkombination DC04 (1,15 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.1.3 Spot Clinch D [R]
7.2 Einfluss einer organischen Beschichtung auf die Verbindungseigenschaften
7.2.1 Mechanische Beeinflussung der KTL-Schicht
7.2.2 Beeinflussung der Verbindungsfestigkeit
7.2.2.1 Fügeteilkombination H340 (1,0 mm) und A1Mg5Mn (1,2 mm)
7.2.2.2 Fügeteilkombination DC04 (1,15 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.3 Einfluss einer Wärmebehandlung auf die Verbindungsfestigkeit
7.3.1 Clinchverbindungen des naturharten Aluminiumwerkstoffes
7.3.2 Clinchverbindungen des aushärtbaren Aluminiumwerkstoffes
7.4 Kennwertermittlung an KS-2-Proben
7.4.1 BTM Tog-L-Loc
7.4.1.1 Fügeteilkombination H340 (1,0 mm) und A1Mg5Mn (1,2 mm)
7.4.1.2 Fügeteilkombination DC04 (0,8 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.4.1.3 Fügeteilkombination DC04 (1,15 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
7.4.2 TOX
7.4.2.1 Fügeteilkombination H340 (1,0 mm) und A1Mg5Mn (1,2 mm)
7.4.2.2 Fügeteilkombination DC04 (0,8 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
8 Einfluss von Fügerichtung und Belastungsart auf die Verbindungseigenschaften unter schwingender Belastung
8.1 BTM Tog-L-Loc
8.1.1 Fügeteilkombination H340 (1,0 mm) und A1Mg5Mn (1,2 mm)
8.1.2 Fügeteilkombination DC04 (0,8 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
8.1.3 Fügeteilkombination DC04 (1,15 mm) und A1Mg0,4Si1,2 (1,0 mm)
8.2 TOX
8.3 Einfluss einer Warmauslagerung auf die Schwingfestigkeit
9 Einfluss einer Temperaturbelastung auf die Verbindungseigenschaften von Mehrelementproben
9.1 Untersuchungen unter quasistatischer Belastung
9 .1.1 Fügerichtung Stahl in Aluminium
9 .1.2 Fügerichtung Aluminium in Stahl
9.2 Untersuchungen unter schwingender Belastung
9.3 Ermittlung von Probenverformungen durch Wärmeeinfluss
9.3.1 BTM Tog-L-Loc
9.3.2 TOX
9.3.3 Anmerkungen
10 Zusammenfassung
11 Literaturverzeichnis
Anhang: Optimierung der Fügeparameter für das Clinchsystem Tog-L-Loc