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EFB-Forschungsbericht Nr. 042

Schwingfestigkeit von durchsetzgefügten, bauteilähnlichen Aluminiumverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Martin Boldt, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-Gesamthochschule Paderborn

146 Seiten (Sw 170, teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-111-6

Preis (Digital) EUR 64,00

Preis (Print) EUR 71,70

Schlagwörter: Fügeverbindung, Buckelschweißen, Rissbildung

Zusammenfassung

Ziel der Arbeit war die vergleichende Bewertung des mechanischen Verhaltens durchsetzgefügter und punktgeschweißter Prüfkörper für unterschiedliche Belastungsfälle.

Aufgrund dieser Zielsetzung erfolgten die experimentellen Untersuchungen zumeist nach normierten Richtlinien zur Prüfung von Punktschweißverbindungen oder aber nach Prüfempfehlungen, wie sie insbesondere in der Automobilindustrie favorisiert werden.

Aus fertigungstechnischer Sicht ist man bestrebt, die Bleche ohne vorherige Entfettung zu fügen. Die durchgeführten Untersuchungen wurden deshalb in der Regel mit befetteten Blechen durchgeführt. Als Überlappungslänge wurde für die meisten Untersuchungen eine praxisübliche Abmessung von 16 mm gewählt.

Durchsetzfügeelemente sind quasiformschlüssige Fügeverbindungen. Sowohl ein Formschluß durch mechanische Verklammerung der gefügten Bleche als auch ein Kraftschluß tragen dazu bei, daß von den Fügeelementen Kräfte übertragen werden können.

Als Prüfverfahren, das neben der Ermittlung der Höchstzugkraft auch die Verformung der Fügeelementzone bei Zugbeanspruchung mit berücksichtigt, hat sich der Scherzugversuch in Verbindung mit einer Feindehnungsmessung im Bereich der Fügeteilüberlappung bewährt. Versuchsergebnisse zeigten hier deutliche Unterschiede im Verformungsverhalten der unterschiedlichen Durchsetzfügeelemente bei äußerer Beanspruchung. So wurde festgestellt, daß schon bei geringer Belastung eine große Verformung in der Fügezone einer in Fügeelementlängsrichtung beanspruchten Balken-Clinch Verbindungen eintritt. Im Vergleich zur Maximalkraft ist ebenfalls bei den untersuchten Stern-Clinch Elementen eine vergleichsweise zu Druckfüge- und TOX-Rundpunkt Elementen niedrige Kraft notwendig, um eine große Verformung der Fügeelementstruktur zu bewirken.

Wie sich bei den Torsionswechselversuchen mit standardisierten Doppelhutprofilen zeigte, trat eine Verschiebung innerhalb des Clinch-Fügeelementes selbst bei geringen Torsionsmomenten auf. Schließt man in eine Versagensbetrachtung neben einem Totalversagen durch Bruch der gefügten Teile auch ein funktionelles Versagen in Form eines Relativspiels innerhalb des Fügeelementes mit ein, so sind aufgrund der durchgeführten Untersuchungen die Balken-Clinch Elemente nicht zum Fügen schwingbeanspruchter, befetteter Bauteile geeignet. Aufgrund der geringen Kräfte, bei denen eine Verformung im Fügebereich der Clinch-Verbindungen gemessen wurde, deutete sich im Scherzugversuch mit Feindehnungsmessung die später im Bauteilversuch festgestellte geringe Festigkeit geclinchter Doppelhutprofile bereits an.

Die mit breiten Mehrpunktproben durchgeführten Scherzugversuche zeigten, daß sowohl die absolute Höchstzugkraft punktgeschweißter Aluminiumproben über der durchsetzgefügter Proben als auch die Höchstzugkraft punktgeschweißter Mehrpunktproben bei gleicher Fügeelementanzahl über der von durchsetzgefügten Mehrpunktproben liegt.

Die absolute Höchstzugkraft der unterschiedlich gefügten Mehrpunktproben wurde mit der jeweils maximal möglichen Fügeelementanzahl erreicht. Die Gesamtzahl an möglichen Durchsetzfügeelementen pro Blech richtete sich nach geometrischen Randbedingungen wie der Baubreite des Abstreifers bzw. des Niedarhalterwerkzeuges oder der Fügewerkzeuggeometrie.
Die Schwingfestigkeit einer zugschwallbeanspruchten Mehrpunktprobe wird bei Durchsetzfügeelementen mit Schneidanteil stark beeinflußt durch den gewählten Fügeabstand. Die zulässige Oberkraft, mit der beispielsweise druckgefügte Mehrpunktproben im Dauerfestigkeitsbereich beansprucht werden können, sinkt ab einem Fügeabstand von weniger als ca. 23 mm sehr stark ab.

Bei getoxten Proben trat ein Versagen der dynamisch beanspruchten Mehrpunktproban in der Regel infolge Abscheren im Kreisquerschnitt der stempelseitig ausgebildeten Fügeelementstruktur ein.

Eine Ausnahme bildeten hier Proben, die mit einem, bedingt durch die Baubreite des Abstreifers, minimal möglichen Fügeabstand von 12,3 mm getoxt worden waren. Hier kam es im Zeitfestigkeitsbereich über 3*105 Lastwechsel auch zum Versagen der zugschwallbeanspruchten Mehrpunktproben infolge von Rissen zwischen den Fügeelementen.
Mit dem TOX-Rundpunkt steht dem Anwender somit ein Fügeelement zur Verfügung, bei dem mit hoher Wahrscheinlichkeit bei dynamischer Schwingbeanspruchung von einem Versagen ohne Rißbildung außerhalb des Fügeelementes ausgegangen werden kann.

Unter optimalen Randbedingungen, d.h. in diesem Fall einem geeigneten Fügeabstand, wurden bei dynamischer Prüfung im Zugschwallbereich sowohl mit druck-  als auch getaxten Mehrpunktproben gegenüber punktgeschweißten Mehrpunktproben auch im Zeitfestigkeitsbereich höhere Festigkeitswerte erzielt.

Ebenso wie bei den experimentellen Untersuchungen zum Tragverhalten quasistatisch beanspruchter Ein- und Mehrpunktproben zeigte sich bei den Torsionsversuchen quasistatisch beanspruchter punktgeschweißter und durchsetzgefügter Doppelhutprofilproben bei jeweils gleichem Fügeabstand die bessere Tragfähigkeit und größere Struktursteifigkeit der punktgeschweißten Probanden.

Bei quasistatischer Torsion druckgefügter Doppelhutprofile war es jedoch auch beim geringsten in die Untersuchungen einbezogenen Fügeabstand von 16 mm möglich, die Bauteilbeulgrenze ohne vorheriges Versagen der Fügeelemente zu erreichen.
Mit Balken-Clinch Elementen gefügte Hutprofile versagten schon zu Beginn der quasistatischen Torsion infolge Verschiebung innerhalb der Fügeelemente und einer daraus resultierenden, nahezu nur durch die starre Einspannung behinderte Verschiebung der Hutschalen gegeneinander.
Torsionswechselversuche bestätigten, daß selbst bei kleinen Torsionswinkeln eine sofort auftretende Relativbewegung in den Balken-Clinch Fügeelementen als funktionelles Bauteilversagen bewertet werden muß.

Druckgefügte, torsionswechselbeanspruchte Doppelhutprofile aus Aluminium erreichten bei gleichem Fügeabstand im Dauerfestigkeitsbereich höhere ertragbare Torsionsmomente als punktgeschweißte Probanden. Ein direkter Vergleich ist jedoch nur zwischen druckgefügten und punktgeschweißten Bauteilen möglich, da hier ein ähnlicher Versagensablauf vorliegt.

Bei getaxten Bauteilen trat dagegen nahezu schlagartiges Bauteilversagen (im Sinne des Abschaltkriteriums Mt = 75 % von MtAnfang) ohne ein langsames Absinken des Torsionsmomentes ein. Bei punktgeschweißten und druckgefügten Bauteilen kam es jedoch zu einem langsamen Absinken der Probensteifigkeit durch langsam wachsende Risse bzw. durch Relativbewegung in den Fügeelementen.

Wie andere Untersuchungen bereits belegt haben, sind mit durchsetzgefügten, dynamisch beanspruchten Proben im Dauerfestigkeitsbereich verglichen mit punktgeschweißten Proben teilweise höhere Schwingfestigkeitswerte zu erzielen. Diese Aussagen gelten auch für zugschwallbeanspruchte Mehrpunktproben sowie für torsionswechselbeanpruchte Doppelhutprofile aus Aluminium.

Entfetten der Bleche vor dem Durchsetzfügen bewirkt eine zusätzliche Festigkeitssteigerung hauptsächlich aus dem Grund, weil dadurch der Kraftschlußanteil der Durchsetzfügeelemente erhöht wird.

Die mechanische Festigkeit von Durchsetzfügeelementen kann positiv dadurch beeinflußt werden, daß bei befetteter Oberfläche die Formschlußkomponente beispielsweise durch ein stärkeres Verstemmen der stempel- und matrizenseitigen Bleche erfolgt und/oder ein größerer Hinterschnitt gewählt wird.

Die Energieaufnahme beim Crashversuch unterschiedlich gefügter Aluminiumprofile war für Fügeabstände von 16 mm und 25 mm für druckgefügte, geclinchte und punktgeschweißte Profile vergleichbar. Bei einem Fügeabstand von 50 mm war Faltenbeulen der Bauteile nur noch mit punktgeschweißten Probanden möglich.

Durchsetzgefügte Bauteile versagten bei diesem Fügeabstand durch Abreißen einzelner oder aller Fügeelemente und anschließendem vollständigen Aufplatzen.

Das Forschungsvorhaben "Schwingfestigkeit von durchsetzgefügten, bauteilähnlichen Aluminiumverbindungen" enthält die Ergebnisse des Gemeinschaftsforschungsvorhabens DFB/ AiF-Nr: 7551. Das Vorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 42 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Verwendete Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
2 Einleitung
3 Begriffsdefinition des Durchsetzfügens und verfahrenstechnische Charakterisierung
3.1 Begriffsdefinition des Durchsetzfügens
3.2 Verfahrenstechnische Charakterisierung des Durchsetzfügens
4 Stand der Erkenntnisse
5 Aufgabenstellung und Zielsetzung
6 Fügeteilwerkstoffe, Probenformen und deren Herstellung
6.1 Fügeteilwerkstoffe
6.2 Probenformen
6.2.1 Flachschulterprobe
6.2.2 Einpunktprobe
6.2.3 'Steife' Einpunktprobe
6.2.4 Mehrpunktprobe
6.2.5 Doppel hutprofilprobe für Torsionswechselversuche
6.2.6 Doppelhutprofilprobe für Impact-Versuche
6.3 Probenherstellung
6.3.1 Fügeteilvorbehandlung
7 Werkzeugmaschinen, Prüf- und Kontrolleinrichtungen
7.1 Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Durchsetzfügeelementen
7.1.1 Werkzeugmaschine zum Clinchen
7.1.2 Werkzeugmaschine zum Druckfügen und Toxen
7.2 Einrichtungen zur Festigkeitsprüfung
7.2.1 Zugprüfeinrichtung
7.2.2 Schwingfestigkeitsprüfeinrichtung
7.2.3 Torsionswechselprüfeinrichtung
7.2.4 Prüfeinrichtung für Impact-Versuche
7.3 Kontrolleinrichtungen zur Beendigung eines Versuchs bei auftretenden Schäden an Proben
7.3.1 Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Abbruchkriteriums bei Wechselbeanspruchung 'steifer‘ Einpunktproben
7.3.2 Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Abbruchkriteriums durchsetzgefügter Doppelhutprofile
8 Mechanisch-Technologische Untersuchungen zum Festigkeitsverhalten der durchsetzgefügten und punktgeschweißten Proben
8.1 Untersuchungen bei quasistatischer Beanspruchung
8.1.1 Einpunktprobe bei quasistatischer Beanspruchung
8.1.2 Mehrpunktprobe bei quasistatischer Beanspruchung
8.1.3 Doppelhutprofilprobe bei quasistatischer Beanspruchung
8.2 Untersuchungen bei schwingender Beanspruchung
8.2.1 'Steife' Einpunktprobe bei wechselnder Beanspruchung
8.2.2 Mehrpunktprobe bei Zugschwallbeanspruchung
8.2.3 Doppelhutprofil unter Torsionswechselbeanspruchung
8.2.3.1 Torsionswechselversuche mit standardisierten Hutprofilen aus dem Blechwerkstoff AIMg3 W19
8.3 Untersuchungen bei stoßartiger Beanspruchung von Doppelhutprofilen
9 Mechanisches Verhalten unterschiedlicher Fügeelemente in Abhängigkeit der Geometrie und Beanspruchung der Proben
9.1 Zusammenhänge zwischen Ein-, Mehrpunktproben und Doppelhutprofilen bei quasi-statischer Beanspruchung
10 Schlussfolgerungen aus den Untersuchungen für Einsatzmöglichkeiten und -Grenzen von Durchsetzfügeelementen zum Verbinden von Blechen
11 Zusammenfassung der Ergebnisse
12 Literaturverzeichnis