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EFB-Forschungsbericht Nr. 112

Untersuchung zum Fügen organisch beschichteter Aluminiumbleche mittels Stanznieten

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden, Lehrstuhl für Urform- und Umformtechnik, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Martin Bangel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-GH Paderborn

186 Seiten (Sw 142 Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-244-1

Preis (Digital) EUR 83,00

Preis (Print) EUR 93,10

Schlagworte: Aluminiumbleche, Fügetechnik, Festigkeit, Stanzniet, Härte

Zusammenfassung

Der Einsatz organisch vorbeschichteter Aluminiumbleche bietet eine Vielzahl wirtschaftlicher und technologischer Vorteile. Organisch bandbeschichtetes Blech ist ein Werkstoff, der mit einer hohen und reproduzierbaren Qualität hergestellt werden kann und somit höchsten Anforderungen gerecht wird. Eine Vielzahl verschiedener Beschichtungssysteme mit speziellen Eigenschaften ermöglicht den Einsatz vorbeschichteter Bleche für unterschiedlichste Anwendungen.

Die Verwendung eines Werkstoffes mit hohem Oberflächenveredelungsgrad erfordert den Einsatz werkstoffgerechter Fertigungsverfahren. Dies gilt insbesondere für das Fügen, da die in der Blechverarbeitung zum Verbinden unbeschichteter Fügeteile weit verbreiteten Schmelz- und Preßschweißverfahren bei den meisten organisch bandbeschichteten Werkstoffen nicht einsetzbar sind. Als Alternative bieten sich hier die wärmearmen mechanischen Fügetechniken an.

Aus diesem Grund war das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Eignung des Stanznietens zum Fügen organisch beschichteter Aluminiumbleche sowie den Einfluß einer organischen Beschichtung auf die Qualitätsmerkmale einer Stanznietverbindung zu untersuchen und zu bewerten. Dazu wurden Untersuchungen an Stanznietverbindungen organisch beschichteter und, als Referenz, unbeschichteter Fügeteile unter mechanischer und korrosiver Belastung durchgeführt. Berücksichtigung fanden beide Varianten des Stanznietens, sowohl mit Vollniet als auch mit Halbhohlniet Das Stanznieten organisch beschichteter Aluminiumbleche ist, wie eine Überwachung des Nietsetzvorganges mit entsprechenden Prozeßüberwachungssystemen zeigte, reproduzierbar durchzuführen. Begünstigt wird die Reproduzierbarkeit durch die definierten Oberflächen der Fügeteile aufgrund der Beschichtungen.

Zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften wurden die Stanznietverbindungen unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Beim Stanznieten mit Vollniet zeigte sich, daß die Beschichtung nur einen geringen Einfluß auf die Verbindungsfestigkeit besitzt. Daher beschränkten sich die Festigkeitsuntersuchungen bei diesen Verbindungen auf den quasistatischen Zugversuch an einfach überlappten Scher- und Schälzugproben.

Beim Stanznieten mit Halbhohlniet führt eine organische Fügeteilbeschichtung i. a. zu einer Verringerung der Verbindungsfestigkeit, deren Größenordnung von der Belastungsart, der Art und Dicke des Beschichtungssystems, der Festigkeit und Dicke der Fügeteilwerkstoffe und den Fertigungsrandbedingungen abhängt. Die Abnahme der Festigkeit fällt unter Scherzugbelastung deutlich größer aus als unter Schälzugbelastung. Daher wurden für diese Verbindungen neben Zugversuchen unter quasistatischer Belastung ebenfalls Untersuchungen unter schlagartiger und schwingender Belastung durchgeführt.

Unter quasistatischer Scherzugbelastung zeigten die Stanznietverbindungen der beschichteten Fügeteile gegenüber den Verbindungen der unbeschichteten Bleche abhängig von Beschichtung und Fügeteilwerkstoff eine um ca. 5 % bis 30 % geringere Maximalkraft mit steigender Beschichtungsdicke wurde ein Anstieg der Festigkeitsabnahme beobachtet.

Bei einseitig beschichteten Fügeteilen wirkt sich die Lage der Beschichtung zur Fügerichtung auf die Verbindungseigenschaften aus. Verbindungen, bei denen die Beschichtung des matrizenseitigen Fügeteils entgegen der Fügerichtung (stempelseitig) angeordnet ist, können gegenüber Verbindungen mit einer anderen Anordnung eine geringere maximale Kraft übertragen.
Der festigkeitsmindernde Einfluß einer Beschichtung ist auf die Verringerung des Kraftschlußanteils an der Verbindungsfestigkeit zurückzuführen. Die Beschichtung führt zu einer Verringerung der Haftreibung und verursacht dadurch ein früheres Versagen.

Des Weiteren wurden Untersuchungen zum Einfluß unterschiedlicher Fertigungsrandbedingungen auf die Eigenschaften von Stanznietverbindungen, die mittels Stanznieten mit Halbhohlniet gefugt wurden, durchgeführt. Bei Stanznietverbindungen organisch beschichteter Fügeteile führte eine Veränderung der Niederhalterkraft oder ein Auftreten von Winkel- und Lateralversatz zu einer geringeren Änderung der maximal übertragbaren Kraft als bei Verbindungen unbeschichteter Bleche. Wie Untersuchungen mit Stanznieten unterschiedlicher Härte zeigten, werden die Ausbildung der Fügeelementgeometrie und somit die Verbindungseigenschaften wesentlich von der Wahl des Hilfsfügeteils bestimmt. So führte die Verwendung eines im Vergleich zum Fügeteilwerkstoff relativ harten Stanznietes zum Fügen der mit der KTL-Ersatzbeschichtung lackierten Fügeteile aufgrundder veränderten tribologischen Verhältnisse durch die Fügeteilbeschichtung zu einer deutlich geringeren Hinterschnittbildung. Daher ist bei einer Substitution unbeschichteter Werkstoffe durch organisch beschichtete Fügeteile ggf. Eine Anpassung der Fertigungsrandbedingungen für diese neue Fügeaufgabe notwendig.

Das Energieaufnahmevermögen einer Stanznietverbindung unter schlagartiger Belastung wurde durch die Fügeteilbeschichtungen in gleicher Weise wie die Maximalkraft unter quasistatischen Belastung verringert.

Unter schwingender Belastung  führt die Beschichtung bei gleicher Festigkeit der Fügeteilwerkstoffe zu einer Verringerung der Lebensdauer der Verbindungen. Der Einfluß der Beschichtung wird mit zunehmender Lastspielzahl jedoch geringer. Zu beachten ist, daß die relativ dicke KTL-Ersatzbeschichtung schon frühzeitig zu einem Abfall der Federsteifigkeit bei den als Prüfkörper verwendeten H-Proben führte.

Neben den mechanischen Verbindungseigenschaften ist das optische Erscheinungsbild einer Stanznietverbindung ein wichtiges Qualitätskriterium. Da bei den Beschichtungen durch den Fügeprozeß matrizenseitig eine gewisse Beschädigung der Oberfläche auftrat, wurden die verwendeten Matrizen hinsichtlich dieser Problematik modifiziert. Durch eine Veränderung der Matrizengeometrie konnte eine Verbesserung der Oberfläche erreicht werden.

Des weiteren wurden Untersuchungen zum Korrosionverhalten der Stanznietverbindungen durchgeführt. Es zeigte sich, daß beim Stanznieten mit Vollniet die Verwendung eines Edelstahlnietes zum Fügen von finish-lackierten Blechen, bei denen nach dem Fügen kein weiter Korrosionsschutz aufgebracht wird, in korrosiver Umgebung nicht uneingeschränkt möglich ist. Die bevorstehende Einführung eines Aluminiumvollnietes scheint dieses Problem zu lösen. Beim Stanznieten mit Halbhohlniet, bei dem das matrizenseitige Fügeteil nicht durchschnitten wird, traten trotz einer gewissen Beschädigung der Beschichtung auf der Matrizenseite keine Unterwanderungserscheinungen auf. Stempelseitig wird das Korrosionsverhalten im wesentlichen durch die Korrosionsschutzbeschichtung des Stanznietes bestimmt. Durch eine intakte Nietbeschichtung wird das Auftreten von Kontaktkorrosion verhindert, so daß bei diesen Verbindungen kaum Korrosionserscheinungen auftraten. Die Nietbeschichtung kann bei Verwendung eines ungeeigneten Stempels beschädigt werden.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß das Stanznieten, das seit einiger Zeit zum Fügen unbeschichteter Werkstoffe zunehmend angewendet wird, ein geeignetes V erfahren auch zum Verbinden organisch beschichteter Aluminiumbleche ist. Durch dieses werkstoffgerechte, innovative Fügeverfahren lassen sich neue Anwendungen für den Einsatz organisch beschichteter Fügeteile erschließen.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchung zum Fügen organisch beschichteter Aluminiumbleche mittels Stanznieten“ wurde unter der Fördernummer AiF 10453B 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. 112 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Stanznietverfahren
2.1.1 Zuordnung und Abgrenzung zu anderen Verfahren
2.1.2 Stanznieten mit Vollniet
2.1.3 Stanznieten mit Halbhohlniet
2.2 Organisch bandbeschichtetes Aluminiumblech
2.2.1 Anwendungsgebiete
2.2.2 Herstellung
2.2.3 Eigenschaften
2.3 Stanznieten organisch bandbeschichteter Aluminiumbleche
3 Ziel und Inhalt der Arbeit
4 Versuchswerkstoffe und Fügesysteme
4.1 Fügeteilwerkstoffe und Beschichtungen
4.1.1 Übersicht
4.1.2 Aluminiumwerkstoffe
4.1.3 Beschichtungssysteme
4.2 Niete und Matrizen
4.2.1 Stanznieten mit Vollniet
4.2.2 Stanznieten mit Halbhohlniet
5 Herstellung der Stanznietverbindungen
5.1 Stanznieten mit Vollniet
5.2 Stanznieten mit Halbhohlniet
6 Prüfverfahren und Probenformen
6.1 Metallographische Untersuchungen
6.2 Quasistatischer Zugversuch
6.3 Schlagscherzugversuch
6.4 Einstufendauerschwingversuch
7 Untersuchungen zum Stanznieten mit Vollniet
7.1 Auswahl der Verfahrensparameter und Ausbildung der Fügeelemente
7.2 Versagensverhalten von Stanznietverbindungen
7.2.1 Einführung
7.2.2 Scherzugversuch
7.2.3 Schälzugversuch
7.3 Untersuchungen unter quasistatischer Belastung
7.4 Einfluß der Matrizenkontur auf die Verbindungseigenschaften
8 Untersuchungen zum Stanznieten mit Halbhohlniet
8.1 Untersuchungen zur Prozeßsicherheit
8.2 Versagensverhalten der Stanznietverbindungen
8.3 Anordnung der Fügeteilbeschichtungen zur Fügerichtung
8.4 Untersuchungen unter quasistatischer Belastung
8.4.1 Einfluß der Fügeteilbeschichtung auf die Verbindungsfestigkeit
8.4.2 Einfluß des Werkstoffzustandes auf die Verbindungsfestigkeit
8.4.3 Einfluß des Stauchmaßes auf die Verbindungsfestigkeit
8.4.4 Einfluß der Niederhalterkraft auf die Verbindungsfestigkeit
8.4.5 Einfluß von Winkel- und Lateralversatz auf die Verbindungsfestigkeit
8.5 Untersuchungen unter schlagartiger Belastung
8.6 Untersuchungen unter schwingender Belastung
9 Anpassung der Matrizengeometrie
9.1 Analyse des Stanznietprozesses
9.1.1 Oberflächenvergrößerung im Schließkopfbereich
9.1.2 Belastung der Matrizenkontur
9.1.3 Untersuchungen zur Veränderung der Kontaktbedingungen
9.2 Bewertung der vorangegangenen Untersuchungen
9.3 Opferblechmethode
9.3.1 Verfahren
9.3.2 Interpretation der Wirkzusammenhänge
9.4 Verbindungseigenschaften modifizierter Matrizen
10 Einfluß einer korrosiven Belastung auf die Qualitätsmerkmale von Stanznietverbindungen
10.1 Korrosionsprüfverfahren
10.2 Korrosionsuntersuchungen an mittels Stanznieten mit Vollniet gefertigten Verbindungen
10.3 Korrosionsuntersuchungen an mittels Stanznieten mit Halbhohlniet gefertigten Verbindungen
10.4 Verhalten von Stanznietverbindungen bei schwingender Belastung unter Medieneinfluß
11 Zusammenfassung und Ausblick
12 LiteratuiTerzeichnis