Kleben v Metallen 22.02.11 TAFH+HWK · 2019-09-06 · Fachbereich Maschinenbau Prof. Kötting,...

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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