EFB-Forschungsbericht Nr. 216

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Optimierung der Fertigungsparameter des Mechanischen Fügens für den Einsatz mit dem Kleben zum Verbinden dünner Bleche

Verfasser:
Ortwin Hahn, Tim-Michael Wibbeke - Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn

ISBN 978-3-86776-173-4 -  165 Seiten, 91,00 €


Zusammenfassung

EFB/AiF-Forschungsvorhaben 13107N

Im Rahmen des Projektes wurde der Einsatz marktetablierter Halbhohlstanzniet- und Clinchsysteme in Kombination mit dem Kleben zum Verbinden dünnwandiger Stahl- und Aluminiumwerkstoffe untersucht. Hierbei wurde zunächst in einer ersten Projektphase das Einsatzpotential handelsüblicher Clinch-und Halbhohlstanznietsysteme in Kombination mit dem Kleben untersucht. Als Ausgangsbasis für die Optimierungsphase wurden systematische Untersuchungen zur Klebstoffverlagerung während des Hybridfügens durchgeführt. Zur Analyse der Klebstoffverlagerung wurden die Fügeprozesse nach diskreten Stadien abgebrochen, der Klebstoff in dieser Position ausgehärtet, Makroschliffe angefertigt und beurteilt. Im Anschluss daran wurden die Tragfähigkeiten unter quasistatischer Scherzugbelastung an ausgehärteten und unausgehärteten hybridgefügten Verbindungen ermittelt.

Aus diesen Untersuchungen wurden die Mechanismen, die zu den ungünstigen Ausprägungen der mechanischen Fügeelemente geführt haben, analysiert und Ansätze zur Wahl von zielführenden Fügeparametern abgeleitet. Bezogen auf das Halbhohlstanznietkleben und Clinchkleben zeigten sich insbesondere negative Ausprägungen des mechanische Fügeelementes bei den Verbindungen mit einer Gesamtblechdicke < 2 mm. Im Rahmen der Untersuchungen zum Halbhohlstanznietkleben und Clinchkleben zeigte sich eine besonders negative Beeinflussung an der Werkstoffkombination DC04, t=0,6 mm in DC04, t=0,6 mm, bei der es zu keiner Hinterschnittausprägung kam.

An den übrigen Stahlblechkombinationen konnten beim Halbhohlstanznietkleben Hinterschnitte prozesssicher realisiert werden, jedoch mit einer deutlichen Minimierung um bis zu 30 %. Die negative Beeinflussung der Fügeelementausprägung basiert primär darauf, dass durch Einleitung der Niederhalterkraft der Klebstoff unter den Niederhalter fließt, sich dort ansammelt und eingeschlossen wird und somit eine Klebstofftasche bildet. Zudem war generell mit einer Abnahme der Einzelblechdicke sowie der Fügeteilstreckgrenze eine Vergrößerung der negativen Effekte auf die Ausbildung der mechanischen Fügeelemente zu detektieren. Diese Ergebnisse spiegelten sich auch in den ermittelten Tragfähigkeiten unter quasistatischer Scherzugbelastung wieder. Hier konnte insbesondere im Rahmen der Ermittlung der Verbindungsfestigkeiten an Proben mit unausgehärtetem Klebstoff eine Korrelation zu der Größe der Hinterschnittausprägung im matrizenseitigen Fügeteil festgestellt werden. Diese Effekte sind insbesondere vor dem Hintergrund einer notwendigen Handlingsfestigkeit in Teilschritten der Prozesskette als kritisch zu bewerten.

In der Optimierungsphase wurden sowohl die Fertigungsparameter des Mechanischen Fügens, wie Fügestempelgeschwindigkeit, Niederhalterkraft, Niethärte, Kinematik des Setzprozesses als auch die Parameter des Klebens, wie Klebstoffviskosität, Klebschichtdicke und Klebstoffauftragsform systematisch variiert. Durch die Optimierung der Fertigungsparameter des Halbhohlstanznietklebens unter Einsatz handelsüblicher Halbhohlstanznietsysteme und Klebstoffe konnten alle untersuchten Werkstoffkombinationen im Labormaßstab prozesssicher verbunden werden. Insbesondere durch die Kombination aus Erhöhung der Niethärte, Reduzierung der Niederhalterkraft von 2,6 auf 1,2 kN sowie Erhöhung der Fügestempelgeschwindigkeit von 10 auf 30 mm/s konnten signifikante Verbesserungen der Fügeelementausprägung realisiert werden. Durch den Einsatz eines niedrigviskosen Klebstoffs sowie mittels unterbrochenen Klebstoffraupen beim Hybridfügen konnte eine verbesserte Klebstoffverdrängung aus dem Niederhalterbereich und damit tragfähige geschlossene Verbindungen auch mit unausgehärtetem Klebstoff hergestellt werden.

Durch die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen wurden den Anbietern und Anwendern von Hybridfügetechnologien, die spezifischen Herausforderungen und erforderlichen Optimierungsmaßnahmen für Klebstoff-, Clinch- und Halbhohlstanznietsysteme aufgezeigt, welche bei der Herstellung von Dünnblechverbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen mittels wärmearmer Hybridfügetechniken zu beachten sind. Für diese Fügesysteme wurden Hinweise zum prozesssicheren und wirtschaftlichen Einsatz abgeleitet. Darüber hinaus wurden die Verfahrensgrenzen des Halbhohlstanznietklebens und Clinchklebens für den Einsatz als Verbindungstechnik für Strukturen mit einer Gesamtblech-dicke kleiner 1,5 mm ausgeweitet.

 


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