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EFB-Forschungsbericht Nr. 268

Wärmearmes Fügen von Profilknotenverbindungen in Mischbauweise

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl. Wirt.-Ing. Hendrik Leibold, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn

119 Seiten (sw 48 , teils farbige Abb., 28 Tab)

ISBN: 978-3-86776-300-4

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde untersucht, inwieweit es möglich ist durch die Verwendung wärmearmer Fügetechniken eine weitere Reduzierung des Gewichtes durch die Verwendung von Magnesium-Gussknoten zu erzielen, welches im Vergleich zu Aluminium bei nur 10% bis 20% geringerer Festigkeit etwa ein Drittel leichter ist. Die mechanische Fügetechnik und die Klebtechnik sowie deren Kombination stellen hier eine Alternative zum Schutzgasschweißen dar. Durch die gegenüber dem Schweißen reduzierte Wärmeeinbringung in die Tragrahmen wird einerseits die thermische Gefügebeeinflussung in der Fügezone und andererseits der thermisch bedingte Bauteilverzug weitestgehend vermieden. Die Klebschicht sorgt außerdem für eine Schwingungsdämpfung im Fügebereich.

In Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde sich auf sechs unterschiedliche Blindnietsysteme, ein Schraubsystem, und zwei Klebstoffsysteme geeinigt. Die Oberflächen des Magnesium- und des Aluminiumwerkstoffes wurden passiviert, um die Haftung des Klebstoffes auf der Oberfläche zu gewährleisten.

Vor den experimentellen Untersuchungen an Profilknotenverbindungen wurden Grundlagenversuche zu den ausgewählten Fügesystemen an einfach überlappten Scherzugproben durchgeführt. In Festigkeitsuntersuchungen wurden sowohl elementar geklebte und elementar mechanisch gefügte als auch hybridgefügte Scherzugproben im ungealterten und gealterten Zustand unter sowohl quasistatischer als auch schwingender Zug-/Druckbelastung bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht.

Auf Grundlage der Untersuchungen an einfach überlappten Scherzugproben wurde eine Auswahl an Fügesystemen getroffen, die für die weiteren Untersuchungen an Profilknoten am geeignetsten erschienen. Hierzu zählten die Aluminium Blindniete, die gewindeformende Aluminium Schraube und der warmaushärtende 1K-Klebstoff. Die so gefügten Profilknoten wurden unter quasistatischer und schwingender Beanspruchung geprüft. Bei den elementar mechanisch gefügten Verbindungen könnte ein einheitliches Festigkeitsniveau festgestellt werden. Hierbei Versagte ausschließlich der Magnesiumknoten im Bereich oberhalb der Fügeelemente. Die geklebten und hybrid gefügten Profilknoten wiesen ebenfalls ein einheitliches Festigkeitsniveau mit voller Werkstoffausnutzung auf.

Die Untersuchungen belegen, dass mit Hilfe der mechanischen Fügetechnik und der Klebtechnik gute Verbindungsfestigkeit in Aluminiumtragrahmen unter Verwendung von Magnesiumgussknoten erreicht werden kann und durch Eigenschaftsoptimierungen der klebspezifischen Randbedingungen derartige Leichtbaustrukturen möglich erscheinen. Die Untersuchungsergebnisse weisen die Klebtechnik im Vergleich zum Schweißen als leistungsfähige Verbindungstechnik mit günstigen Festigkeitseigenschaften aus. Die Entwicklung eines kombinierten Fügeverfahrens bei einseitiger Zugänglichkeit, bestehend aus Kleben und Blindnieten, erlaubt die sichere Fixierung der Fügeteile während der Aushärtung und für den industriellen Einsatz die Integration in den Prozessablauf.

Das Forschungsvorhaben „Wärmearmes Fügen von Profilknotenverbindungen in Mischbauweise“ wurde unter der Fördernummer AiF. 14290N 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. 268 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Zielsetzung
3 Stand der Technik
3.1 Einordnung und Charakterisierung der Blindniettechnik
3.2 Einordnung und Charakterisierung der Klebtechnik
3.3 Einordnung und Charakterisierung des Hybridfügens
4 Versuchsrandbedingungen
4.1 Werkstoffe
4.1.1 Magnesium
4.1.2 Aluminium
4.2 Probengeometrien
4.2.1 Scherzugproben
4.2.2 Profil-Knotenverbindungen
4.3 Verwendete Fügeverfahren
4.3.1 Mechanische Fügeverfahren,
4.3.2 Klebstoffsysteme
4.4 Maschinendaten
4.4.1 Zwick 100
4.4.2 Zwick 1484
4.4.3 Resonanz-Prüfmaschine (HF-Pulser)
4.4.4 Servohydraulische Zug-Druck-Prüfmaschine
4.4.5 Korrosionskammer
4.5 Probenherstellung
4.5.1 Blindnieten
4.5.2 Kleben
4.5.3 Blindnieten-Kleben
5 Versuchsergebnisse
5.1 Voruntersuchungen zur Auswahl der Klebschichtdicke
5.2 Prüfung unter quasistatischer Last
5.2.1 Scherzugversuche
5.2.1.1 Blindnietsystem A1
5.2.1.2 Blindnietsystem A2
5.2.1.3 Blindnietsystem A3
5.2.1.4 Zusammenfassung der Ergebnisse für System A
5.2.1.5 Blindnietsystem B1
5.2.1.6 Blindnietsystem B2
5.2.1.7 Blindnietsystem B3
5.2.1.8 Zusammenfassung der Ergebnisse für System B
5.2.1.9 Schraubsystem C
5.2.1.10 Klebstoffsystem warmaushärtend
5.2.1.11 Klebstoffsystem kaltaushärtend
5.2.1.12 Hybridverbindung A2 + 1K-Klebstoff
5.2.1.13 Hybridverbindung A2 + kaltaushärtender Klebstoff
5.2.1.14 Hybridverbindung B1 + 1K- Klebstoff
5.2.1.15 Hybridverbindung B1 + 2K-Klebstoff
5.2.1.16 Prüfung nach VDA-621-415
5.2.1.17 Zusammenfassung Scherzugproben
5.2.2 Versuche an Profilknoten
5.2.2.1 Prüfung unter Scherzugbelastung
5.2.2.2 Prüfung nach VDA- 621-415
5.3 Schwingfestigkeitsprüfung
5.3.1 Versuche an Scherzuproben
5.3.2 Versuche an Profilknoten
5.4 Ableitung von Konstruktionshinweisen für die Auslegung von Profil-
Knotenverbindungen in Mischbauweise
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
8 Abbildungsverzeichnis
9 Tabellenverzeichnis