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EFB-Forschungsbericht Nr. 118

Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung von Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen

EFB118

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dr.-Ing. Frank Riedel, Dipl.-Ing. Dirk Thieme, Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz

93 Seiten (Sw 44 Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-249-6

Preis (Digital) EUR 45,00

Preis (Print) EUR 50,30

Schlagworte: Querschnitt, Leistungsfähigkeit

Zusammenfassung

Das Durchsetzfügen etabliert sich zunehmend als wirtschaftliches und ökologisch günstiges Fügeverfahren in der blechverarbeitenden Industrie und wird oft als Alternative zum Widerstandspunktschweißen angesehen. Weitere Vorteile des Durchsetzfügans sind u. a.
die fügbare Vielfalt der Werkstoffe und -kombinationen, daß während des Fügens kein Wärmeeintrag in die Bauteile stattfindet und Vorteile bei dem späteren Recycling der Produkte.

Insbesondere für das Fügen moderner Konstruktionswerkstoffe, wie z. B. Aluminium, wird das Durchsetzfügen eingesetzt, da sich konventionelle Fügeverfahren oft nur begrenzt eignen.
Trotz der zahlreichen Vorteile des Durchsetzfügans wird dieses Fügeverfahren bis heute in der Praxis fast ausschließlich für das Fügen von mechanisch wenig beanspruchten Bauteilen angewendet.

Ursachen hierfür sind u. a., daß der Kenntnisstand über die Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen und die Möglichkeiten zur Berechnung der Festigkeit von durchsetzgefügten Konstruktionen heute noch nicht den Stand erreicht haben, wie das beispielsweise für Schweißverbindungen der Fall ist. Weiterhin besitzen Durchsetzfügeverbindungen teilweise schlechtere mechanische Eigenschaften als konventionelle Verbindungen, wie z. B. Widerstandspunktschweißverbindungen.

Ein großes Potential der Eigenschaftsverbesserung von Durchsetzfügeverbindungen bietet die Kombination mit Stoffschlußverbindungen. So können die mechanischen Eigenschaften der form- und kraftschlüssigen Durchsetzfügeverbindung verbessert werden, was beispielsweise in Untersuchungen zur Kombination von Durchsetzfügeverbindungen mit Kleb- und Lötverbindungen nachgewiesen wurde. Nachteilig ist bei diesen Kombinationen aber, daß der Fertigungsaufwand solcher Verbindungen steigt und die Verwendung von Zusatzwerkstoffen (Kleber, Lot) notwendig ist. Es ist aber auch möglich, die mechanischen Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen insbesondere an Aluminium durch ein partielles Kaltpreßverschweißen während des Durchsetzfügans zu steigern. Die Herstellung solcher Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen erfordert kaum einen Fertigungsmehraufwand, und Zusatzwerkstoffe sind ebenfalls nicht notwendig.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Festigkeitseigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen an Aluminium durch partielles Kaltpreßverschweißen der Verbindung zu steigern und eine Technologie für die Herstellung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß- Verbindungen zu erarbeiten.
Grundlage der Untersuchungen bildete die Erarbeitung der Randbedingungen der Fügbarkeit von Bauteilen mit Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen, ermittelt aus der Durchsetzfüge-und Kaltpreßschweißbarkeit Für Versuche wurden die erarbeiteten Kriterien der Fügbarkeit von Bauteilen mit Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen verwendet.

Es konnte eindeutig nachgewiesen werden, daß die Herstellung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen, unter Beachtung dieser Kriterien, reproduzierbar möglich ist. Der Vergleich der berechneten Verformungsgrade für eine TOX-Verbindung mit dem für das Kaltpreßschweißen von Aluminium notwendigen Verformungsgrad erbrachte im Ergebnis, daß nur im Bodenbereich und vereinzelt im Halsbereich der Verbindungen Kaltpreßverschweißungen zu erwarten sind. Diese Aussage konnte eindeutig in praktischen Versuchen nachgewiesen werden, denn genau in den vorausgesagten Bereichen der Verbindungen wurden tatsächlich Kaltpreßverschweißungen gefunden.

ln Grundlagenuntersuchungen wurden verschiedene Einflußgrößen auf die Herstellung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen an Reinaluminium untersucht. Es zeigt sich, daß einen entscheidenden Einfluß der Oberflächenzustand der zu fügenden Bleche besitzt. Mit Verbindungen an gebeizten oder gebürsteten Blechen konnten die größten Höchstscherzugkräfte erzielt werden. Es wurde weiterhin nachgewiesen, daß eine Beseitigung der Oxidschichten oder eine mechanische Bearbeitung der Blechoberflächen nicht unbedingt erforderlich sind.
Für die industrielle Fertigung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß- Verbindungen können somit verschiedenste in der Praxis vorhandene Oberflächenvorbehandlungsprozesse genutzt werden. Die Lagerung der oberflächenvorbehandelten Bleche bis zum Fügen kann ohne bedeutende Festigkeitsverluste der Verbindungen erfolgen, vorausgesetzt, daß sich nicht erneut Fremdschichten auf den Blechoberflächen ablagern.

Die Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen wurden auf das Fügen von praxisrelevanten Aluminiumwerkstoffen übertragen. Das Ziel der Untersuchungen bestand einerseits darin, die Fügetechnologie für das Durchsetzfüge-Kaltpreßschweißen zu optimieren und anderseits darin, eine reproduzierbare hochfeste Verbindung zu erhalten. Dazu wurden Aluminiumwerkstoffe ausgewählt, die industriell häufig Anwendung finden. Als Optimierungsmethode kam die statistische Versuchsplanung zum Einsatz, da so die Versuche mit einem geringen zeitlichen und finanziellen Aufwand durchgeführt werden konnten. Die Untersuchungen bestätigen, daß sich vor allem mit gebeizten und gebürsteten Proben sehr gut reproduzierbare und hochfeste Verbindungen herstellen lassen. Durch die Optimierung der Fügetechnologie konnten für Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen Fügeparameter ermittelt werden, die optimale Verbindungswertigkeiten ermöglichen.

Unter statischer, dynamischer und schlagartiger Beanspruchung konnte die Leistungsfähigkeit von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen gegenüber Durchsetzfügeverbindungen eindeutig nachgwiesen werden. So lagen die erreichten Höchstscherzugkräfte für EN AW-AIMg3 O um ca. 40 % und die Höchstkopfzugkräfte um ca. 60 % über denen von Durchsetzfügeverbindungen. Diese Festigkeitssteigerungen konnten auch für die anderen Aluminiumwerkstoffe nachgewiesen werden. Hier konnte die übertragbare Höchstscherzugkraft bis auf 170 % gesteigert werden. ln Verbindung mit den höheren Scherzugkräften nahm auch die Steifigkeit von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen zu. Vorteilhaft wirkte sich dies unter schlagartiger Beanspruchung aus. Im Gegensatz zu Durchsetzfügeverbindungen wurden die Verbindungen nicht zerstört und somit konnte ein sehr gutes Crashverhalten festgestellt werden. Mit Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen konnte 30 % mehr an Energie absorbiert werden. Die Untersuchungsergebnisse bestätigen, daß der Einsatz im Bereich hoher Beanspruchungen möglich ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das Ziel dieses Forschungsvorhabens erreicht wurde, die Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen an Aluminium gezielt durch die reproduzierbare Erzeugung von partiellen Kaltpreßverschweißungen zu verbessern.

Die Herstellung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen erfordert keine Zusatzstoffe und keine Veränderung der Durchsetzfügetechnologie. Den entscheidenden Einfluß auf die Herstellung solcher Verbindungen besitzt der Oberflächenzustand der zu fügenden Bleche.

Als Oberflächenvorbehandlungsprozesse können ohnehin in einer Fertigung vorhandene Prozesse genutzt werden. Unter der Beachtung der Kriterien der Fügbarkeit von Bauteilen mit Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen können diese Verbindungen für die Fertigung hochfester Aluminiumbauteile eingesetzt werden.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung von Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 10877B 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. 118 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
1 Einleitung
2 Durchsetzfügeverbindungen
2.1 Begriffsdefinition
2.2 Eigenschaften, Vor- und Nachteile
2.3 Möglichkeiten der Eigenschaftsverbesserung
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung
4 Theoretische Betrachtungen und experimenteller Nachweis zur Möglichkeit des Kaltpreßschweißens während des Durchsetzfügens
4.1 Grundlagen zum Kaltpreßschweißen unter Berücksichtigung des Durchsetzfügans
4.2 Fügbarkeit von Bauteilen mit Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen
4.3 Vorbetrachtungen zu möglichen mechanischen Eigenschaften von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen
4.4 Ermittlung der für das Kaltpreßschweißen geeigneten Bereiche in einer Durchsetzfügeverbindung
4.5 Experimenteller Nachweis der Herstellung von Kaltpreßschweißverbindungen während des Durchsetzfügans von Aluminiumblechen
5 Versuchsplanung, Versuchsdurchführung, Auswert- und Prüfmetheden
5.1 Versuchsplanung
5.1.1 Methodik
5.1.1.1 Grundlagenuntersuchungen
5.1.1.2 Verfahrensoptimierung
5.1.2 Versuchswerkstoffe
5.1.3 Probengeometrien
5.2 Versuchsdurchführung
5.3 Auswert-und Prüfmethoden
5.3.1 Ausbildung der Durchsetzfügeverbindung
5.3.2 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
5.3.2.1 Statische Festigkeit
5.3.2.2 Dynamische Festigkeit
5.3.2.3 Schlagartige Beanspruchung
6 Untersuchungen zu signifikanten Einflußgrößen auf die Herstellung und die Eigenschaften von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen
6.1 Oberflächenbeschaffenheit
6.2 Oberflächenvorbehandlungszeit
6.3 Zeit zwischen der Oberflächenvorbehandlung und dem Fügen
6.4 Fügekraft
6.5 Durchsetzfügeverfahren
7 Optimierung des Durchsetzfügens für die Herstellung von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen
7.1 Einfluß der Werkzeuggeometrie
7.1.1 Stempeldurchmesser
7.1.2 Matrizentiefe
7.1.3 Stegdicke
7.2 Auswahl optimaler Fügeparameter
8 Mechanische Eigenschaften von Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß-Verbindungen
8.1 Statische Festigkeit
8.2 Dynamische Festigkeit
8.3 Schlagartige Beanspruchung
9 Technologische Hinweise für das Fügen mittels Durchsetzfüge-Kaltpreßschweiß- Verbindungen
9.1 Konstruktion
9.2 Werkstoff
9.3 Fertigung
10 Literaturverzeichnis
Anlage 1 Bezeichnung,mechanische Kennwerte und chemische Zusammensetzung der Versuchswerkstoffe
Anlage 2 Berechnungsalgorithmus des Versuchsplanes
Anlage 3 Herstellerkenngrößen der Durchsetzfügewerkzeuge und -Verbindungen