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Fachbereich Maschinenbau Prof. Kötting, Werkstofftechnik
1„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Fügetechnik→ Klebtechnik→ Kombinierte Fügeverfahren→ Widerstandsschweißverfahren
Korrosion u. Korrosionschutz→ Haftverbund Kunststoff-Metall→ Oberflächenbehandlung→ Beständigkeitsprüfungen
Qualitätssicherung→ Statistische Auswerteverfahren→ FMEA, SPC u.a
Schadensuntersuchungen Werkstoff- Bauteilprüfung /
→ Statische, dynamische Prüfung→ Gefüge-, Elementanalyse
Arbeitsbereiche F&E
F
FoFaFm
FuLastwechsel
F
Schwingfestigkeit Schweißverbindung -
Korrosion
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2„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Merkmale und Eigenschaften von Klebverbindungen
• Die Verbindung ist flächig mit einer geschlossenen Klebfuge:relativ homogener Kraftflußkeine Verletzung der Oberflächen beim FügenSchutz vor Spaltkorrosionisolierende / leitende WirkungSchicht-, Verbundbauweise
• Die Herstellung der Verbindung erfolgt wärmearm:i.d.R. keine Beeinflussung des Werkstoffgefügeskaum Beeinflussung der Werkstückform, verzugsarmFügen von Teilen mit sehr dünnen Wandstärken
• Alle technischen Werkstoffe lassen sich gundsätzlich durch Kleben fügen:VielseitigkeitFügen verschiedenartiger Werkstoffe untereinander
Kleben erlaubt das Fügen von Werkstücken in Bereichen, die aufgrund der Werkstückform für Schweiß-, Niet- oder Schraubwerkzeuge nicht oder schwierig zugänglich sind:
Erweiterung der Gestaltungsmöglichkeiten
•
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3„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Dichtklebung
Kleben in Kombination mit Punktschweißen, Nieten oder
Durchsetzfügen
Falznahtkleben
Scheiben- Unterfütterungsklebung
Kleben im Karosseriebau: Arten von Karosserieklebungen
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4„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Kleben von Anbauteilen: Beispiel Frontklappe
A
B Falznaht-
Unterfütterungs-
klebung
Schnitt
B
A
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5„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Klebungen im Dachbereich einer PKW - Karosserie
Quelle: Audi
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6„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
VergleichPunktförmige Fügeelemente Kleben
Punktschweißen→ Wirtschaftlichkeit
Schrauben / Nieten / Durchsetzfügen→ Werkstoffhybridbauweise
Aber:→ Spaltkorrosion→ Spannungskonzentrationen → beschränkte (Schwing-) Festigkeit
Flächige Verbindungsschicht → Gleichförmigere Kraftübertragung → Schutz vor Spaltkorrosion → Werkstoffhybridbauweise
Aber:→ Alterung→ Kriechen→ Aushärtezeit
Ziel: Kombination der Vorteile + Reduzierung der Nachteile der Einzelverfahren
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7„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Punktschweißen + Kleben
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 2 4 6 8 10
Probenverlängerung ΔL in mm
Prüf
kraf
t in
N
Tragverhalten Klebschicht
Tragverhalten Schweißpunkt
Maximalkraft Schweißpunkt
Bruch Klebschicht
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8„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
AnwendungsbeispielePunktschweißkleben
Punktschweiß-Klebungen im Vorbau (Bildquelle Audi)
Punktschweiß-klebungen im Bereich Radhaus hinten,
Dichtklebungen(Bildquelle DaimlerChrysler)
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9„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Schwingfestigkeitsverhalten von Bauteilproben aus hochfesten Stahlblechen
y = 293,93x-0,1692
y = 219,9x-0,2074
y = 690,19x-0,3049
1
10
100
1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07
Lastwechsel N
Schw
inga
mpl
itude
in k
N
80
60
40
20
8
6
4
2
R = 0,1f = 20 HzJe 1 Durchläufer: Laser- und Punktschweißen für FA = 9 kN
Punktschweißkleben
LaserschweißenPunktschweißen
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10„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Vergleich der Korrosionsunterwanderung
Gefügt Getrennt
nach 5 Monaten Klima-Korrosion-Wechseltest
Punktge-schweißt+ Geklebt
DC 04, nicht veredelt, KTL Punktge-schweißt
Geklebt
(Epoxidharz)
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11„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Fertigungsablauf für geklebte Komponten im Karosserierohbau - Blechschalenbauweise -
Herstellung der Blechteile
durch Umformen
Transport / Lagerung der
Blechteile
Klebstoff-applikation auf
geölten Blechen
Fixieren
Fügen
Fertigmontage der Roh-
karosserie
Lackierstraße
Abläufe zur Sicherstellung der Auswaschbeständigkeit der Klebnähte in den Prozeßbädern der Lackierstraße:
a) separate Anhärtung der Nähte, z.B. an Anbauteilen (Türen, Klappen...) b) Verwendung von „auswaschbeständigen“ Klebstoffen c) Anhärten aller Klebnähte in Durchlauföfen vor der Lackierstraße
(gesamte Karosse)
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12„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Quelle: Audi
Lackierstraße im Fahrzeugbau
Wichtige Aspekte: Auswaschbeständigkeit in den Prozeßbädern, Härtung während der Lackeinbrennphasen
Prozeßbäder
180°C / 20min
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13„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
60
70
80
90
100
110
120
0 2 4 6 8 10
Klebstoff - Schubmodul G in MPa
Tors
ions
stei
figke
it in
%
FEM - Rechnung
Einfluß des Schubmoduls von Scheibenklebstoffen auf die statische Torsionssteifigkeit einer Karosserie
Quelle: AUDI
FEM - Berechnung
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14„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Pressgeklebte Wellen - Naben - Verbindungen
Geklebte
Kegelpreß-, Längspreß- Querpreß-
Verbindung
Fügen durch Einpressen
Fügen nach Er-wärmung Nabe
Verspannen der Kegelflächen
• Erhöhung des Traganteils durch höheren Flächenkontakt
• Verminderung der Korrosions-neigung
• Geringere Verbindungseigen-spannungen
• Reduzierung der Fertigungs-kosten, da weniger toleranz-sensibel
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15„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Geklebte Querpreßverbindung
Bildquelle Fa. Loctite
Anhaltswerte für erreichbare Druckscherfestigkeiten in Wellen-Naben-Verbindungen beiVerwendung anaerober Klebstoffe
• Spielpassung, Klebspalt: max. 0,05 mm → 15 – 20 MPa (Klebung)
• Übergangspassung:Klebspalt: max. 0,02 mm→ 20 – 50 MPaKlebung oder Klebung + Querpressung
• Preßpassung:Übermaß: 0.01 < Ü < 0,03 (Orientierung)→ 40 – 60 MPa
Klebung + Querpressung
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16„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Anwendungsbeispiele(Bildquelle: Fa. 3M, Düsseldorf)
Kleben keramischer Schleif-segmente mit Befestigungs-ele-menten aus Al-Druckguß
1K heißhärtender pasten-förmiger EP-Klebstoff
Kleben von Weicheisenla-mellen mit Stator eines Elek-tromotors
1K - heißhärtender EP -Klebfilm
Kleben von Keramikbuchsen mit Vorschub- bzw. Spann-zangen
1K - heißhärtender EP - Kleb-stoff mit metallischer Füllung
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17„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Kleben auf geölten
Oberflächen
⇒ Im Automobil - Karoserierohbau üblich
⇒ Nur möglich, falls
- chemisch/physikalische Verträglichkeit Öl - Klebstoff gewährleistet
- Ölmenge begrenzt: ca. < 5 g/m2
- Chemisch definierte Öle
- Heißhärtung möglich
Fügeteil
Ölschicht
Klebschicht
Öl diffundiert die in Klebschicht Ausgangszustand während der Heißhärtung
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18„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
1 2 3 4 5 6
Bru
chkr
aft i
n kN
Arb
eit i
n N
m
RT 80°C5 min
140°C10 min
180°C30 sec
240°C30 sec
210°C30 sec
Ofenhärtung Induktionshärtung
Adh-Br.
Adh- + Ko-Br. Ko-Br. Ko-Br. + Blasen
Tragverhalten einer Bolzen - Blech - Klebung in Abhängigkeit von den Härtungsbedingungen
Beölung:
ca. 0,5 g/m2,
2K -Epoxidharzklebstoff
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19„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Alterungs- und Korrosionseinflüsse
Die Festigkeit einer Klebverbindung kann im Lauf des Betriebszeitraums geschwächt werden durch
• Feuchtigkeit / Umgebungsmedien• Temperatur / Temperaturwechsel• Dauernd einwirkende Lasten
Die Schwächung betrifft hauptsächlich die Grenzzone Klebschicht – Fügeteilwerkstoff
→ Im schlimmsten Fall: Adhäsionsverlust, Korrosionsunterwanderung
Festigkeit
Betriebszeit
Gegenmaßnahmen:
- Oberflächenvorbehandlung - Zweckentsprechende Klebstoffe- Fugenschutz: Abdichtungen,
Lackierungen
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20„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Dienstleistungen
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21„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Klima-Korrosions-Test (KKT)+ 80
°C
+ 20
-40
7 dKlimawechselPV-VW 1200
1h Aufheizen 4h Halten bei
80°C / 80% r.F.2h Abkühlen4h Halten bei –40°C1h Aufheizen bis RT
12h Zyklus
21d Korrosionsbelastung
• im Kondenswasserklima KFW DIN 50017 (+ 40°C)
• mit wöchentlich einmaliger SalzsprühnebelprüfungSS DIN 50021 (35 °C) über 3,5 h
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22„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Verschärfte Freibewitterung nach VDA 621-414
Wöchentliches Besprühen mit Salzwasser
Freibewitterung in subtropischem Klima
z.B. Mallorca, Florida
Dauer: > 1Jahr
Rot: Höchsttemp.Hellblau: Tiefsttemp.Dunkelblau: Wassertemp.
Klimadaten Mallorca:
Oben: rel. Luffeuchtigkeit in %
Unten: Temperaturen in °C
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23„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5 6 7Freibewitterungszeit in Jahren
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3Zyklen im KKT
Zugs
cher
fest
igke
it in
MPa
Überlappung: lÜ = 16 mm Breite: b = 25 mm Klebschichtdicke: dK = 1 mm
SikaFast 5211 (2K-Acrylat) Reinigung mit ADPrep-
Terostat 9380 (1K-MS) Reinigung mit Lösungsm.
Bruch-flächen
nach 7 J VFB
Zugscherfestigkeit von Klebungen aus Edelstahl 1.4301 mit einem 2K - Acrylat, einem 1K-SP-Klebstoff nach Labor- und Freibewitterung
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24„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Bilder: Fa. NOVATEC BioSol, Karlsruhe
Receiver-Rohr
• Haft- und witterungsstabile Klebstoffe zum Ver-binden von Spiegelsegmenten mit Stahlblech-unterkonstruktion erforderlich
• Durchführung von Festigkeits- und Beständig-keitsuntersuchungen (zeitraffende Bewitterung und verschärfte Freibewitterung) an
- feuchtigkeitshärtenden PUR-, Silikon- und SP-Klebstoffen
- metallisch veredelten, metallisch+ organisch veredelten sowie Edelstahlfeinblechen
„Kleben von Fresnelkollektoren auf Stahlblechunterkonstruktion für solarthermische Kraftwerke“ (F&E-Vorhaben der FOSTA, P 735)
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25„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Beschichtungsfehler an elektrolytisch verzinkten Graugußkomponenten
Rückstände eines Vorbehandlungsmediums
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26„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
500 μm
Nitrierschicht oben ca. 160 μmunten ca. 130 μm
A Lokaler Verschleiß einer Nitrierschicht
B Verschleiß an einem Lager infolge abrasiver Fremdstoffe
C Wasserstoffversprödung an einem Ventilstößel
A B
C
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27„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Schadensuntersuchungen an Schweißnähten
Blickrichtung
Riß
Dauerbruch ausgehend von Schweißnahtkerbe
(Geschweißte Rahmenkonstruktion)
Rißbildung in einer Schweißnaht (Baustähle)
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28„Kleben von Metallen“ - 22.02.2011
Schadensuntersuchungen an Kunststoffbauteilen
Durch Spannungsrißkorrosionbedingter spröder Gewaltbruch
Neuteil: duktiler Gewaltbruch
Bauteile aus ABS