Untersuchungen zur Eignung ausgewählter Blechschraubenarten zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen
Verfasser: Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Carsten Bye, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF, Universität Paderborn
ISBN 978-3-86776-190-1 - 238 Seiten, 124,00 €
Zusammenfassung
EFB/AiF-Forschungsvorhaben 13397N
Die Motivation zur Durchführung dieses Forschungsvorhabens lag in der Ermittlung der Eignung ausgewählter Blechschraubenarten zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen.
Ziel war es, das große Potential der Dünnblechschrauben auch für die Verbindung von Aluminiumblech-, Aluminiumstrangpressprofil- und Aluminiumgusswerkstoffen zu nutzen. Entsprechend wurden 3 grundsätzlich unterschiedliche Dünnblechschraubentypen, die gewindefurchenden, die lochbohrenden und die loch- und gewindeformenden Dünnblechschrauben untersucht. Bei den loch- und gewindeformenden Schrauben wurden weiterhin kaltlochformende und fließlochformende Schrauben näher betrachtet. Es wurden sowohl elementare Schraubenverbindungen als auch die Kombinationen mit einem typischen Rohbauklebstoff, einem einkomponentigen Epoxidharzklebstoff, unter quasistatischer und zyklischer Lasteinleitung untersucht. Aufgrund der unterschiedlichen Fügeteil- bzw. Hilfsfügeteilwerkstoffe wurden ausgewählte Verbindungen mittels Korrosions- und Klimatests geprüft.
Zu Beginn der Untersuchungen wurden die fertigungsrelevanten Verfahrensparameter für den Einsatz von Dünnblechschrauben zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen ermittelt. Die prinzipiellen Zusammenhänge zwischen den Parametern wurden überprüft und gegenübergestellt. Beispielhaft sei im Sinne der Zusammenfassung die Ermittlung der Losdrehmomente nach Temperaturbelastung oder vorherigem Klebstoffeinsatz erwähnt.
Bei der Quantifizierung der Verbindungsqualität unter quasistatischer Lasteinleitung wurden Ausdrückuntersuchungen und Untersuchungen an einfach überlappten Scher- und Kopfzugproben nach DIN durchgeführt. Alle Schraubentypen zeigten eine prinzipielle Eignung zur Verbindung der untersuchten Aluminiumhalbzeuge. Bei der Prüfung der Scher- und Kopfzugproben wurde darüber hinaus der Wärmebehandlungszustand der Bauteilwerkstoffe untersucht. Es zeigte sich, dass die Festigkeitssteigerung der Fügeteilwerkstoffe durch einen entsprechenden KTL bedingten Temperatureinfluss in entsprechende Verbindungsfestigkeiten zu überführen war. Abschließend wurden die Ergebnisse der elementaren Verschraubungen denen von elementaren Blindnietverbindungen der gleichen Werkstoffkombinationen gegenübergestellt.
Es zeigten sich bei beiden Fügeverfahren vergleichbare Scher- und Kopfzugfestigkeiten. Durch den Einsatz des Epoxidharzklebstoffs wurde der Forderung nach einer vollständigen Werkstoffausnutzung im Sinne des modernen Leichtbaus entsprochen. Es wurde quasistatisch die so genannte Handlingsfestigkeit, das heißt die Festigkeit der Seite 166 Kapitel 12 – Zusammenfassung und Ausblick Hybridverbindung vor dem Aushärten des Klebstoffes und die ausgehärtete Hybridverbindung geprüft. Alle Schraubentypen zeigten gute Ergebnisse bei den Untersuchungen zur Handlingsfestigkeit. Bei der Gegenüberstellung der ausgehärteten Hybridverbindungen zu elementar verklebten, und anschließend ausgehärteten Proben zeigten sich unter quasistatischem Scherzug kaum Unterschiede. Bei der Untersuchung unter quasistatischem Kopfzug zeigten die Hybridverbindungen teilweise höhere Festigkeiten.
Bei den Untersuchungen unter zyklischer Lasteinleitung wurden zwei unterschiedliche Probengeometrien untersucht. Es wurden steife Einelementproben unter Scherund Kopfzugbelastung und bauteilähnliche Mehrelementproben unter Scherzugbelastung geprüft. Neben dem Steifigkeitsverlauf und der entsprechenden Darstellung der Ergebnisse in Form von Wöhlerlinien, wurden die Fügeteilrelativverschiebungen dokumentiert und ausgewertet. Bei den Untersuchungen der verschiedenen Schraubentypen wurden vergleichbare Ergebnisse ermittelt. Die kaltformende Schraube zeigte bei gleicher Gewindegröße unter zyklischer Belastung tendenziell höhere Festigkeiten.
Bei den Untersuchungen unter korrosiver Belastung wurden ausgewählte verschraubte Werkstoffkombinationen elementar, das heißt ohne Beschichtung oder weitere Veredelung der Oberfläche, mittels 10 Zyklen des VDA 621415 Tests untersucht.
Darüber hinaus wurden einige Proben nach der Verschraubung gewaschen und mit einer KTL-Beschichtung versehen. Nach dem KTL-Auftrag wurden die Proben 30 Zyklen mit dem INKA-Kleinteiletest geprüft. Die untersuchten Zink-Aluminium bzw. Zink-Nickel basierten Beschichtungssysteme liefern in entsprechender Auftragsdicke einen ausreichenden Korrosionsschutz. Der zusätzliche Auftrag einer KTL-Beschichtung vor der Korrosionsprüfung erhöhte den Korrosionsschutz der Verbindungsstelle.
Die zu Projektbeginn gesetzten Forderungen an das Forschungsvorhaben wurden vollständig erfüllt, das Projektziel wurde erreicht, die Projektverpflichtungen zeitgemäß erfüllt.
Zum Abschluss der Untersuchungen wurden die Ergebnisse in Empfehlungen für den Einsatz dieser Verbindungstechnologie aufgenommen. Hier sind beispielsweise Hinweise zur Schraubenauswahl und zur Beeinflussung der Verschraubungsparameter durch die Verwendung von Gleitmitteln bzw. Schraubenbeschichtungen gegeben. Die Hinweise wurden in enger Abstimmung mit den Schraubenherstellern erstellt. Sie sollen den Anwender informieren und für die Verbindungstechnik sensibilisieren. Die Hinweise ersetzen im konkreten Anwendungsfall aber nicht den direkten Kontakt zum Lieferanten.
Bei der Verbindung von Aluminiumhalbzeugen mittels der untersuchten Dünnblechschrauben besteht bei einigen Schraubentypen die Möglichkeit, die Bauteile ohne vorherige Vorlochoperation. Die in diesem Bericht dargestellten Voruntersuchungen zeigten in dieser Hinsicht ein erhebliches Einsatzpotenzial auf. Auf der Basis der hier beschriebenen Ergebnisse sollten weitere Untersuchungen folgen, um diese Verbindungstechnik dem Anwender zugänglich und das reale Potenzial kalkulierbar zu machen.
Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Eignung ausgewählter Blechschraubenarten zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen" wurde unter der Fördernummer AiF 13397N 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. 233 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
1 Inhaltsverzeichnis
2 Abkürzungen und Formelzeichen
3 Einleitung
4 Zielsetzung des Forschungsprojektes
5 Stand der Technik
5.1 Nieten
5.2 Schrauben
5.3 Kleben
5.4 Hybridfügen
6 Eingesetzte Versuchsstoffe
6.1 Fügeteilwerkstoffe und Oberflächenvorbehandlung
6.2 Klebstoff
6.3 Blindnieten
6.4 Dünnnblechschrauben
7 Prüfkörper, Prüfverfahren, Versuchseinrichtungen
7.1 Prüfkörper
7.2 Prüfverfahren und Prüfeinrichtungen
7.2.1 Metallographische Untersuchungen
7.2.2 Prüfung unter Quasistatischer Belastung
7.2.3 Prüfung unter zyklischer Belastung
7.2.4 Alterung und Korrosion
7.3 Versuchseinrichtung zum Verschrauben
8 Darstellung Variation ausgewählter Prozessparameter
8.1 Darstellung ausgewählter Prozessparameter
8.2 Variation ausgewählter Prozessparameter
9 Ergebnisse der Tragfähigkeitsuntersuchungen
9.1 Untersuchungen unter quasistatischer Belastung
9.1.1 Ergebnisse der Ausdrückuntersuchungen
9.1.2 Ergebnisse der Zugversuche
9.2 Vergleich mit Ergebnissen anderer Fügeverfahren
9.3 Untersuchungen unter zyklischer Belastung
9.3.1 Untersuchungen mit der Einpunktprobe
9.3.2 Untersuchungen mit der Mehrpunktprobe
10 Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen
11 Hinweise zum Einsatz von Gewindefurchenden Dünnblechschrauben zum Verbinden von Al-Halbzeugen
12 Zusammenfassung und Ausblick
13 Literaturverzeichnis
14 Abbildungsverzeichnis
15 Anhang
