K10: WSG 6 - Weitere Fügeverfahren

Löten:

Thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden oder Beschichten von Werkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffs unter Verwendung von Flussmitteln und/oder Lötschutzgasen.

• Verbindung unterschiedlicher Metalle möglich

• Arbeitstemperaturen haben kaum Beeinflussung auf Werkstoff und Oberflächenschichten

• Lötverbindungen elektrisch gut leitend

• Keine Bauteilschwächung (durch Löcher, Nieten, etc.), keine Wärmeeinflusszone (WEZ)

• Lötverbindungen sind dicht gegen Gase und Flüssigkeiten

• Große Lotmente an großen Fugen benötigt

• Chemische Korrosion der Lotverbindung durch Flussmittelreste

• Festigkeit der Lötverbindung ist geringer als die der Schweißverbindung

• aufwendigere Vorbereitungsarbeiten (als beim Schweißen)

• Gefahr des elektrolytischen Zerstörens der Lötstelle (v.a. bei Aluminium)

• Weichlöten (<450°C)

• Hartlöten (>450°C)

• Hochtemperaturlöten (>900°C)

• Grundvoraussetzung: Metallisch saubere Oberflächen, erwärmt auf Arbeitstemperatur

• Aufgeschmolzenes Lot benetzt die Oberfläche und bleibt nach dem Erstarren an dieser haften

  (Bestandteile des Lotes befinden sich im Grundwerkstoff und umgekehrt)

• Lot und Grundwerkstoff haben sich im Benetzungsbereich legiert, obwohl Grundwerkstoff fest geblieben ist. Man nennt dies Diffusion

• Diffusionstiefe: ca. 2µm bis einige mm

=> Die Ausbildung der Diffusionszone ist entsprechend für die Festigkeit der Lötverbindung

Der kapillare Fülldruck ermöglicht das Ausfüllen der engen Lötspalte

• Keine Stumpfstöße vorsehen!

  (Bei Stumpfstößen wird die Festigkeit des Grundwerkstoffs nicht ausgenutzt. Überlapp- und Laschenverbindungen vergrößern die Lotfläche)

• Eckstöße müssen stets überlappend ausgeführt werden!

• Beim Einlöten von Bolzen und Grundlöchern muss für eine Entlüftung gesorgt werden.

  -> Flussmittel muss entweichen können, andernfalls sind Einschlüsse die Folge.

• Lötfugen müssen so gestaltet werden, dass das Lot gut fließen kann!

  -> Allerdings muss die Kapillarwirkung beachtet werden

• Lotanhäufungen vermeiden!

  (-> Problem sind der Preis für Lotwerkstoffe, Gefahr der Lunkerbildung, geringere Festigkeit als der Grundwerkstoff)

• Lotdepot zweckmäßig anbringen!

  (-> Dadurch kann der Fließweg verkleinert und die Lagesicherung des Lotes gewährleistet werden)

• Stumpfnähte erst bei Rohren mit einer minimalen Wandstärke von 1mm

  (-> Muffen- und Steckverbindungen bieten ausreichend Lötflächen)

• Der Spalt muss immer äquidistant sein! (auch an Rundungen)

  -> Lot ist mit Oxiden angereichert, die ansonsten den Durchfluss beeinträchtigen

Kleben:

Herstellen einer festen Verbindung von gleichen oder unterschiedlichen Metallen durch eine artfremde Substanz.

• Verbindung gleicher und unterschiedlicher Metalle möglich

• Keine Temperaturbeeinflussung des Grundwerkstoffs

• Keine Bauteilschwächung (z.B. duch Löcher wie beim Nieten)

• Geringes Gewicht

• Schwingungsdämpfend

• Korrosionsbeständig

• Herstellen gas- und flüssigkeitsdichter Verbindungen

• Aufwändige Werkstückvorbereitung

• Begrenzte Festigkeit

• Festigkeitseinbußen durch Alterung

• Geringe Warmfestigkeit

• Hohe Fertigungszeiten

• Schwer prüfbare Verbindung

• Schwierige Dimensionierung der Verbindung

Adhäsion (“anhaften”):

Mechanischer Zusammenhalt durch molekulare Wechselwirkung an der Grenzschicht.

Kohäsion (“zusammenhängen”):

Bindungskräfte zwischen Atomen sowie zwischen Molekülen innerhalb eines Stoffes.

Aufbau einer Klebverbindung:

• In den beiden Grenzschichten wirken Adhäsionskräfte

• In der Klebschicht wirken Kohäsionskräfte

• Bei Klebungen handelt es sich um ein Verbundsystem aus einzelnen Gliedern

  -> Die gesamte Klebung versagt, wenn das schwächste Glied versagt!

• Bei metallischen Klebungen sind die Grenzschichten die schwächsten Glieder

• Lösungsmittel- und Dispersionsklebstoffe

  Physikalisch abbindende Klebstoffe

  Ausschließlich Einkomponentenklebstoffe

  • Kontaktklebstoffe

  • Schmelzklebstoffe

  • Plastisole

• Reaktionsklebstoffe

  Chemisch abbindende Klebstoffe

  Ein- und Zweikomponentenklebstoffe

  • Polymerisationsklebstoffe

  • Polyadditionsklebstoffe

  • Polykondensationsklebstoffe

Einkomponentenklebstoffe:

Der Abbindevorgang wird durch Umweltfaktoren (z.B. Auftreffen von Licht, Eindringen von Sauerstoff) ausgelöst.

Zweikomponentenklebstoffe:

Die Reaktion wird durch das Vermischen von zwei getrennt gelagerten Stoffen ausgelöst.

Eine gute Klebestelle steht und fällt mit der vorhergehenden Oberflächenbehandlung!

1. Oberflächenvorbereitung

   • Entfernen von anhaftenden Schichten (z.B. Schmutz, Rost, Zunder, Farben)

   • Entfetten der Oberflächen

2. Oberflächenvorbehandlung

   • Entweder Beeinflussung der chemischen Natur der Fügestellen oder Aufbringen einer neuen, fest verbundenen Oberfläche mit definierten Eigenschaften

3. Oberflächennachbehandlung

   • Die Notwendigkeit einer Nachbehandlung hängt vom Verfahren ab.

     z.B. Klimatisierung der Oberfläche, Auftrag von Haftvermittlern, Konservieren der Klebeflächen

• Klebeverbindungen stets flächig ausführen und Stumpfstöße vermeiden.

  -> Im Idealfall besteht eine Überlappung, die in etwa dem 5-fachen der Fügeteildicke entspricht

• Schälbeanspruchung vermeiden!

Inserttechnik -> Fügen durch Urformen

Inserttechnik:

Umspritzen von sog. Inserts (metallische Einlegeteile wie z.B. Gewindebuchsen), die zuvor direkt in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wurden.

• Sichere Verbindung zwischen Metallteil und Kunststoff

• Ein vollautomatisierbarer Verfahrensschritt nötig

Outserttechnik:

An- oder Einspritzen von Kunststoffelementen an Bauelemente, die aus anderen Kunststoffen oder anderen Werkstoffen bestehen.

(Anwendung insbesondere bei Metallplatinen oder Metallblechen)

Hybridtechnik:

Herstellen eines Verbundkörpers aus thermoplastischem Kunststoff und einem profilförmigen Metallteil durch Spritzgießen.

• Einfache Entformbarkeit anstreben - Massenanhäufungen vermeiden!

  -> Masseanhäufungen führen zu Lunkern und Einfallstellen

• Genaue Positionierung durch Anordnung mehrerer Verknüpfungspunkte ermöglichen!

• Schwindungsunterschiede (z.B. radial vs. axial) berücksichtigen!

Nieten -> Fügen durch Umformen

• keine thermische Beeinflussung des Grundwerkstoffs -> kein Verzug

• Verbinden verschiedener Werkstoffe möglich

• Nietverbindungen versagen bei Überlast und Stoß nicht schlagartig

• Moderne Nietanlagen erlauben schnelle, kostengünstige und hoch beanspruchbare Verbindungen

• Schwächung der Bauteile durch Nietlöcher

  -> größere Querschnitte und damit schwerere Konstruktion erforderlich

• Stumpfstöße sind nicht herstellbar

• Fertigung ist kostenintensiver als Schweißen

• Kaltnieten

  • Vollständiges Ausfüllen des Nietlochs durch den Nietschaft (da keine Schrumpfung auftritt)

• Warmnieten

  • Niete (d>10mm) werden im hellroten Zustand geschlagen oder gepresst

  • Beim Abkühlen des Niets wirken die kalten Bauteile als Schrumpfbehinderung

    -> Zugspannung im Niet

  • Der Nietschaft liegt nicht an der Lochwandung an

Der Randabstand e in Kraftrichtung muss ausreichend groß gewählt werden!

-> Bei zu kleinem Randabstand kann es zu einem Ausreißen des Nietes kommen

Schnittigkeit:

Anzahl der beanspruchten bzw. tragenden Querschnitte

• Exzentrische Kraftübertragung führt zu zusätzlichen Biegespannungen

• Ungleichmäßige Verteilung des Lochleibungsdruckes

• Dauerfestigkeit solcher Verbindungen ist sehr gering

-> Anstreben einer biegungsfreien, symmetrischen Verbindung

Scherbelastung der Nieten anstreben!

Biege- und Zugbelastungen sind unbedingt zu vermeiden!

Gestaltungsrichtlinien:

• Vorsehen von zweischnittigen statt einschnittigen Nietverbindungen

• Schwerelinien der Stäbe sollen sich in einem Punkt schneiden

• Schwerelinien der Profile sollen mit den Nietlinien zur Deckung kommen

  (nur bei symmetrischen Profilen erreichbar)

Durchsetzfügen -> Fügen durch Umformen

• Der Stempel presst die zu fügenden Werkstücke in die Matrize

• Bei weiterem Kraftaufbau wird das stempelseitige Werkstück gezwungen, das matrizenseitige Werkstück zu hinterfließen

• Kein thermischer Einfluss

• Oberflächenschichten bleiben erhalten

• Verbinden ohne Zusatzstoffe möglich

• Bleche unterschiedlicher Dicke und Werkstoffe lassen sich verbinden

• Hohe dynamische Festigkeit im Vergleich zum Punktschweißen

• Geringe statische Festigkeit im Vergleich zum Punktschweißen

• Bisher fehlen zuverlässige Berechnungsansätze für eine Bauteilauslegung nahezu vollständig

Davex -> Fügen durch Umformen