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EFB-Forschungsbericht Nr. 076

Thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen

efb76

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

83 Seiten (Sw 57 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-129-1

Preis (Digital) EUR 35,00

Preis (Print) EUR 39,60

Schlagworte: Fügeverbindung, Festigkeit

Zusammenfassung

Das Durchsetzfügen, ein relativ neues Fügeverfahren, konnte sich insbesondere aufgrund wirtschaftlicher und ökologischer Überlegungen in der blechverarbeitenden Industrie etablieren.

Nachteilig bei der Anwendung von Durchsetzfügeverbindungen an mechanisch beanspruchten Bauteilen ist u. a., daß dem Anwender zu wenig Informationen über dieses Fügeverfahren und die entsprechenden Fügeverbindungen zur Verfügung stehen. So existieren kaum Normen und Berechnungsvorschriften über das Festigkeitsverhalten von Durchsetzfügeverbindungen.
Das ist u. a. auch der Grund dafür, daß Durchsetzfügeverbindungen hauptsächlich an gering beanspruchten und nichttragenden Bauteilen eingesetzt werden.

Durchsetzfügeverbindungen können neben einer mechanischen Beanspruchung auch thermisch beansprucht werden. So werden Durchsetzfügeverbindungen auch an thermisch beanspruchten Bauteilen eingesetzt. Über die mechanischen Eigenschaften von thermisch beanspruchten Durchsetzfügeverbindungen existieren aber heute noch nur vereinzelte Untersuchungsergebnisse, und eine zusammenfassende Aussage ist nicht möglich.

Durchsetzfügeverbindungen können in der Praxis fertigungsbedingt und/oder funktionsbedingt thermisch beansprucht werden. Fertigungsbedingte thermische Beanspruchungen von Bauteilen erfolgen in der Regel während einer Produktfertigung einmalig z. B. beim Emaillieren von Haushaltgeräten und beim Einbrennen von Lacken in der Automobilindustrie.

Funktionsbedingte thermische Beanspruchungen können während der Bauteillebens- bzw. Bauteilfunktionsdauer auf Durchsetzfügeverbindungen einwirken. So werden z. B. durchsetzgefügte Backräume in Haushaltgeräten oder durchsetzgefügte Bauteile an oder unter dem Einfluß des Abgassystemes von Automobilen thermisch wechselbeansprucht Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die mechanischen Eigenschaften von fertigungs- und funktionsbedingten thermisch beanspruchten Durchsetzfügeverbindungen zu bestimmen, um den Kenntnisstand des Durchsetzfügens zu erweitern, thermisch beanspruchte durchsetzgefügte Bauteile abzusichern, in Hinblick auf eine Produkthaftung, und somit das Anwendungsfeld des Durchsetzfügens zu erweitern.

Für signifikante Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von thermisch beanspruchten Durchsetzfügeverbindungen sollte der Mechanismus der Eigenschaftsänderung geklärt werden.
Es wurden in der Praxis mögliche thermische Beanspruchungsfelder fertigungsbedingter und funktionsbedingter thermischer Beanspruchungen von durchsetzgefügten Bauteilen analysiert und daraus die zu untersuchenden thermischen Zyklen für eine thermische Beanspruchung von Durchsetzfügeverbindungen abgeleitet.

Für fertigungsbedingt (einmalig) thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an unbeschichteten und beschichteten Stahlgrundwerkstoffen verändert sich die Festigkeit dieser Verbindungen in Abhängigkeit von der thermischen Beanspruchung signifikant.
Während das Durchsetzfügeverfahren, der Stahlgrundwerkstoff und die Haltedauer nur 44 einen geringen Einfluß auf das Festigkeitsverhalten von Durchsetzfügeverbindungen in Abhängigkeit von einer thermischen Beanspruchung besitzen, beeinflußt die Erwärmtemperatur die Festigkeit von Durchsetzfügeverbindungen signifikant.

Eine Veränderung der Festigkeit von Durchsetzfügeverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen findet ab einer Erwärmtemperatur von ca. TE = 200 °C statt. Im Temperaturbereich von 200 °C < TE < 600 °C wurde für alle untersuchten Durchsetzfügeverbindungen ein Anstieg der Höchstscherzugkräfte auf ca. 160 % der Höchstscherzugkraft thermisch nichtbeanspruchter Durchsetzfügeverbindungen festgestellt. Der maximale Anstieg der Höchstscherzugkräfte erfolgt bei einer einmaligen Erwärmung von Durchsetzfügeverbindungen mit einer Temperatur von TE= 400 °C.

Die Analyse dieses Festigkeitsanstieges ergab, daß Prozesse der Reckalterung des Werkstoffes im Bereich des Durchsetzfügeelementes zur Werkstoffversprödung und somit zur Steigerung der Höchstscherzugkräfte führen. Diese Werkstoffversprödung bewirkt aber auch einen Abfall der dynamische Festigkeit im Dauerfestigkeitsbereich auf etwa 85 % für Versuchsproben die einmalig auf Temperaturen von TE = 200 °C erwärmt wurden, im Vergleich zu thermisch unbeanspruchten Versuchsproben.

Für Durchsetzfügeverbindungen die einmalig auf eine Temperatur von TE = 400 °C erwärmt wurden findet zwar ein größerer Abfall der Festigkeit im Zeitfestigkeitsbereich statt, aber aufgrund der höheren Ausgangsfestigkeit dieser Versuchsproben fällt die Festigkeit im Dauerfestigkeitsbereich nicht unter die Festigkeit von thermisch unbeanspruchten Durchsetzfügeverbindungen.
Neben Prozessen der Reckalterung bewirken auch Oxidationsprozesse im Bereich des Durchsetzfügeelementes eine Erhöhung der statischen Festigkeit.

Ab einer einmaligen Erwärmung von Durchsetzfügeverbindungen mit Erwärmtemperaturen von TE > 600 °C zeigen sich in Abhängigkeit von den Stahlgrundwerkstoffen und den Durchsetzfügeverfahren unterschiedliche Tendenzen. Es konnten für thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen ein geringer Abfall, ein geringer Anstieg und auch Kurvenverläufe ohne eine Änderung der Höchstscherzugkräfte gefunden werden.

Für Durchsetzfügeverbindungen, bei denen ein Anstieg der statischen Festigkeit ermittelt wurde, konnten im Fügeelement von Durchsetzfügeverbindungen, die einmalig auf eine Temperatur von TE = 900 °C erwärmt wurden, Diffusionsverschweißungen nachgewiesen werden.
Ein Abfall der statischen und dynamischen Festigkeit von Durchsetzfügeverbindungen, die einmalig auf eine Temperaturen von TE > 600 °C erwärmt wurden, wird hauptsächlich durch die Rekristallisation des stark verfestigten Werkstoffes und durch Grobkornbildung im Bereich des Durchsetzfügeelementes bewirkt.

Für fertigungsbedingt (einmalig) thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen findet zwar eine Veränderung der Festigkeit dieser Verbindungen in Abhängigkeit von der thermischen Beanspruchung statt, aber signifikante Tendenzen '- 45 konnten nicht nachgewiesen werden. Die geringfügigen Verminderungen und Erhöhung der statischen Festigkeit sind wahrscheinlich, aufgrund der ohnehin relativ geringen Festigkeit von Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumwerkstoffen, im Vergleich zu Durchsetzfügeverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen für die Praxis weniger von Bedeutung.

Für funktionsbedingte (mehrmalig) thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an Stahlgrundwerkstoff wurden unterschiedliche Tendenzen der Veränderung der statischen Festigkeit dieser Verbindungen in Abhängigkeit von der Erwärmtemperatur und der Anzahl der Temperaturwechsel festgestellt. Während mit einer thermischen Wechselbeanspruchung mit einer Temperatur von TE = 200 °C ein stetiger Anstieg der Höchstscherzugkräfte nachgewiesen wurde, fielen die Höchstscherzugkräfte für Durchsetzfügeverbindungen mit einer thermischen Wechselbeanspruchung mit einer Temperatur von TE = 400 °C auf den Ausgangswert thermisch unbeanspruchten Durchsetzfügeverbindungen zurück. Inwieweit die Möglichkeit besteht, daß die Festigkeit unter den Ausgangswert von thermisch unbeanspruchten Durchsetzfügeverbindungen mit höheren als den untersuchten Temperaturwechselzyklen fallen kann, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß Durchsetzfügeverbindungen in bezug auf die mechanischen Eigenschaften relativ thermisch beständig sind. Auch eine Abkühlung der Proben bis auf Temperaturen von T = -196 °C konnte keine negative Veränderung der mechanischen Eigenschaften bewirken.

Das Forschungsvorhaben „Thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 9235B 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. 76 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0 Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
1 Einleitung
2 Durchsetzfügeverbindungen
2.1 Begriffsdefinition
2.2 Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen
3 Stand der Erkenntnisse zu thermisch beanspruchten Durchsetzfügeverbindungen
4 Aufgabenstellung und Zielsetzung
5 Versuchsplanung
5.1 Möglichkeiten einer thermischen Beanspruchung von durchsetzgefügten Bauteilen
5.2 Festlegung der thermischen Zyklen
5.2.1 Simulation von fertigungsbedingten (einmaligen) thermischen Beanspruchungen
5.2.2 Simulation von funktionsbedingten (mehrmaligen) thermischen Beanspruchungen
5.3 Festlegung der Versuchswerkstoffe
5.4 Festlegung der Probengeametrien
6 Versuchsdurchführung
6.1 Herstellung der Versuchsproben
6.2 Thermische Beanspruchung der Versuchsproben
6.2.1 Simulation einer einmaligen thermischen Beanspruchung
6.2.2 Versuchsaufbau und Funktionsweise der Simulation einer thermischen Wechselbeanspruchung
7 Prüfverfahren und Auswertmethoden
7.1 Beurteilung der Ausbildung der Durchsetzfügeelemente
7.2 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen
7.2.1 Statische Festigkeit
7.2.2 Dynamische Festigkeit
8 Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchungen
8.1 Einmalig thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen
8.1.1 Durchsetzfügeverbindungen an unbeschichteten Stahlgrundwerkstoffen
8.1.1.1 Einfluß der Temperatur
8.1.1.2 Einfluß der Haltedauer
8.1.1.3 Einfluß des Durchsetzfügeverfahrens
8.1.2 Durchsetzfügeverbindungen an beschichteten Stahlgrundwerkstoffen
8.1.3 Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen
8.1.3.1 Einfluß der Temperatur
8.1.3.2 Einfluß der Haltedauer
8.1.3.3 Einfluß des Durchsetzfügeverfahrens
8.2 Thermisch wechselbeanspruchte Durchsetzfügeverbindungen
9 Auswertung der Versuchsergebnisse
9.1 Thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen
9.2 Thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen
10 Mechanismus der Eigenschaftsänderung thermisch beanspruchter Durchsetzfügeverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen
11 Zusammenfassung
12 Literatur
Anlage 1 Mechanische Kennwerte und chemische Zusammensetzung der Versuchswerkstoffe
Anlage 2 Kenngrößen der Durchsetzfügewerkzeuge und -elemente
Anlage 3 Mechanische Kenngrößen für thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen
an Stahl und für thermisch beanspruchte Grundwerkstoffe
Anlage 4 Mechanische Kenngrößen für thermisch beanspruchte Durchsetzfügeverbindungen an Aluminium und für thermisch beanspruchte Grundwerkstoffe
Anlage 5 Ausbildung der Fügeelemente thermisch beanspruchter Durchsetzfügeverbindungen an Stahl