Elektrisches Eigenschaftsprofil umformtechnischer Fügeverbindungen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Jan Kalich, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik, Professur Fügetechnik und Montage, Technische Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. Steffen Großmann, Dr.-Ing. Stephan Schlegel, Dipl.-Ing. Jan Schmid, Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik, Technische Universität Dresden
148 Seiten - 84,00 EUR (sw, 110 teils farbige Abb., 23 Tab.)
ISBN 978-3-86776-432-2
Zusammenfassung
Ziel der Arbeit war die Analyse elektrischer Eigenschaften von umformtechnisch erstellten Fügeverbindungen bei Aluminiumwerkstoffen. Als Beeinflussungsgrößen von Kontakt- und Verbindungswiderstand wurden hierzu sowohl grundlegende herstellungsbedingte Parameter (geometrische Ausbildung, Kinematik des Setzvorganges, verfahrensspezifische Umformvorgänge) als auch anwendungsbezogene Belastungen betrachtet.
Der Oberflächenzustand der Fügeteile sowie die Geometrie und der Wärmebehandlungszustand der Verbindung sind Einflussgrößen, die im Rahmen der Verbindungsherstellung bestimmt werden. Der Gütefaktur kann als verfahrens- und werkstoffunabhängiges Vergleichs- und Beurteilungskriterium herangezogen werden. Als notwendiges Kriterium für die Langzeitstabilität eines elektrischen Kontakts hat der Gütefaktor einer Verbindung einen festgelegten Richtwert nicht zu überschreiten.
Die Analyse der Verbindungsgeometrie liefert die Verteilung des Stromflusses innerhalb des Clinchpunktes. Durch metallographische Untersuchungen können Werkstoffbrücken im Halsbereich von Clinchpunkten, im Fußbereich von Halbhohlstanznietverbindungen und im Bereich des Befestigungsabschnittes von Stanzbolzen nachgewiesen werden. Durch den Einsatz von Halbhohlstanznieten und Stanzbolzen können beschichtete Bauteile kontaktiert werden.
In Form mechanischer, thermischer und klimatischer Belastungen werden äußere Einflüsse auf den Kontaktwiderstand der Verbindung untersucht. Über den Betrachtungszeitraum von bis zu 15000h erfolgten thermische Dauerbelastungen der Proben und über 2700 Zyklen thermische Wechsellasten welche über Widerstanderwärmung infolge des Stromflusses realisiert wurden. Es konnte die erstmalige Generierung grundlegender Aussagen zum Verhalten umform-technisch hergestellter Fügeverbindungen im elektrischen Stromkreis realisiert werden.
Die Erweiterung des Einsatzspektrums der umformtechnischen Fügeverfahren um den Bereich elektrotechnischer Anwendungen konnte gezeigt werden. Das Fügen von stromdurchflossenen Leitern ohne Wärmeeintrag mit / ohne Zusatzelemente kann ermöglicht werden. Die Übernahme elektrischer Aufgaben in die umformtechnisch erstellte Fügeverbindung konnte integriert werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Elektrisches Eigenschaftsprofil mechanischer Fügeverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16952BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 389 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The aim of the work was the analysis of the electrical properties of joints manufactured by forming technologies in aluminum materials. Therefore both fundamental manufacturing parameters (geometrical shape, kinematics of the setting process, procedure-specific deformation processes) and application oriented loads were examined as influencing factors for contact and joining resistance. The condition of the surface of the joining partners, the geometry and heat treatment condition of the joint are influencing factors which are determined during the joining process.
The quality factor (k - factor) can be used as a process and material independent criterion for comparison and evaluation. As a necessary criterion for the long term stability of an electrical contact the quality factor of a joint must not exceed a fixed reference value. The analysis of the joining geometry delivers the distribution of the current flow in the clinching point. With metallographic investigations the material-bridges (metallic micro contacts) in the neck area of clinch connections, in the foot area of half hollow punch rivets, and in the fixing area of punch bolts can be proved. By using the half hollow punch rivet and the punch bolt coated components can be electrically contacted.
In terms of mechanical, thermal and climatically loads the external influences on the contact resistance of the joints were investigated.
Over the observation period of up to 15 0000 h the samples were under continuous thermal loads and under alternating thermal loads for over 2700 cycles. The latter were realized by resistance warming as a result of the current flow. The first generation of fundamental statements on the behavior of joints manufactured by forming technologies in an electrical circuit could be realized.
The extension of the application range of the forming joining processes to the electro technical applications could be shown. The joining of current-carrying conductors without thermal input with/ without additional elements can be enabled. The take-over of electrical tasks into the joint manufactured by forming technologies could be integrated.
Inhaltsverzeichnis
1 Abbildungsverzeichnis
2 Tabellen
3 Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen
4 Einleitung
5 Stand der Technik
5.1 Umformtechnisches Fügen
5.2 Elektrische Kontakte
5.2.1 Einführung
5.2.2 Kontaktarten
5.2.3 Kontaktflächen
6 Zielstellung
7 Versuchsplanung
7.1 Werkstoffe
7.2 Einfluss des Warmauslagerns
7.3 Fügesysteme
8 Vorgehensweise
8.1 Probenprüfung
8.1.1 Elektrische Prüfungen
8.1.2 Mechanische Prüfungen
8.1.3 Thermische Belastung
8.1.4 Korrosionsprüfung
8.1.5 Oberflächenzustände
8.1.6 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen
9 Ergebnisse
9.1 Übersicht Serienbezeichnung
9.2 Clinchen
9.2.1 Einführung
9.2.2 Geschlossene Matrize
9.2.3 Geschlossene Matrize (AlMg0,8Si0,9)
9.2.4 Geteilte Matrize (AlMg0,8Si0,9)
9.3 Stanznieten
9.3.1 Halbhohlniet
9.3.2 Vollstanzniet
9.4 Blindniet
9.4.1 Einführung
9.4.2 Eingesetzte Elemente
9.5 Funktionselemente
9.5.1 Einführung
9.5.2 Nietmutter Anchor M6
9.5.3 Stanzbolzen KSB M6
9.5.4 Blindgenietete Funktionselemente
9.6 Schweißbolzen
9.6.1 Einführung
9.6.2 Spitzenzündung
9.6.3 Eingesetzte Elemente
10 Ergebnisse
11 Ausblick
12 Literaturverzeichnis
13 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzens insbesondere für KMU
