Vorteile des Durchsetzfügens gegenüber dem Punktschweißen und dessen Einsatz in der Industrie

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Lesergruppe
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Fügetechniken
2.1 Punktschweißen
2.1.1 Grundlagen Schweißen
2.1.2 Vertiefung Punktschweißen
2.2 Fügen durch Umformen
2.2.1 Herkömmliches Nieten
2.2.2 Blindnieten
2.2.3 Stanznieten
2.2.4 Durchsetzfügen

3 Clinchenverfahren im Industrieeinsatz
3.1 Verfahren Clinchen
3.1.1 Verbindungsvorgang
3.1.2 Verbindungsqualität
3.1.3 Materialien und Werkzeuge
3.1.4 Varianten der in der Industrie eingesetzten Clinchverfahren
3.2 Clinchens versus Punktschweißen
3.2.1 Verfahrensvergleich
3.2.2 Clinchen – mäßige Akzeptanz im industriellen Einsatz
3.2.3 Clinchen in der praktischen Anwendung

4 Schlussfolgerung

5 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Abb. 2: Vielfalt der Schweißverfahren im Laufe der Jahrzehnte

Abb. 3: Verfahrensprinzip Punktschweißen

Abb. 4: Normeinteilung Fügeverfahren im Überblick

Abb. 5: Gemeinsamkeiten Werkzeuge der mechanischen Fügeverfahren

Abb. 6: Wirkungsweise der Fügekräfte beim Clinchen

Abb. 7: Durchsetzfügen - Charakteristische Formgebung.

Abb. 8: Verfahrensschritte Clinchen – ein- und mehrstufig

Abb. 9: Geometrische Abmessungen eines Fügeelements

Abb. 10: Vorzuziehende Fügerichtungen

Abb. 11: Kostenvergleich Clinchen zu Punktschweißen

Abb. 12: Dynamische Dauerfestigkeit im Vergleich 27

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Überblick – Entstehen von Schweißverbindungen

Tab. 2: Charakteristiken des herkömmlichen Nietens

Tab. 3: Charakteristiken des Blindnietens

Tab. 4: Charakteristiken des Stanznietens

Tab. 5: Überblick der Durchsetzfügeverfahren

Tab. 6: Ausprägungen der Clinchverfahren

1 Einleitung

Das Thema dieser Arbeit ist das Clinchen im industriellen Einsatz. Es handelt sich dabei um ein Fertigungsverfahren, das auch als Durchsetzfügen bekannt ist. Clinchen findet in den letzten Jahrzehnten vermehrt Anwendung in der industriellen Fertigung und steht in direkter Konkurrenz zum Punktschweißen. Als Einleitung folgt nun eine kurze grundsätzliche Erklärung des Begriffs Fertigungsverfahren.

Fertigungsverfahren sind in der Norm DIN 8580 verankert und in sechs Hauptgruppen, wie in Abbildung 1 dargestellt, eingeteilt. Unter einem Fertigungsverfahren versteht man einen Prozess, bei dem Güter und Waren hergestellt werden. Die entstehenden Güter werden innerhalb des Prozesses wiederum aus anderen Materialen hergestellt. Die Herstellung kann sowohl manuell oder auch maschinell erfolgen. Die Norm besteht zu dem Zweck, Grundbegriffe für Fertigungsverfahren zu definieren, und eine Übersicht der Haupt- und zugeteilten Untergruppen zu schaffen.^[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580^[2]

1.1 Ziel der Arbeit

Ziel der Arbeit ist es, die Vorteile des Fügeverfahrens Clinchen gegenüber dem Punktschweißen aufzuzeigen, aber auch Anwendungshemmnisse anzusprechen. Anhand von Bespielen aus der industriellen Anwendung werden die Vorteile des Durchsetzfügens nochmals hervorgehoben und mögliche zukünftige Einsatzmöglichkeiten in der verbauenden und verarbeitenden Industrie diskutiert.

1.2 Lesergruppe

Diese Arbeit richtet sich an interessierte Personen mit technischem Grundverständnis. Im speziellen sollen Leser angesprochen werden, die sich Kenntnisse über mechanischen Fügeverfahren im industriellen Einsatz aneignen möchten, beziehungsweise im Zuge ihrer Tätigkeit mit diesen Verfahren vertraut sind, und vertiefend Informationen zum Durchsetzfügen erlangen möchten.

1.3 Aufbau der Arbeit

Um die die Vorteile des Clinchens darzulegen, werden im zweiten Kapitel das Fügeverfahren Punktschweißen und die des Fügens durch Umformen in ihren Grundzügen beschrieben. Im Hauptteil folgt eine detaillierte Beschreibung des Clinchens, die Vorteile gegenüber dem Punktschweißen und warum es dennoch Gründe gibt, die die Verbreitung als Standardverfahren hemmen. Trotzdem finden sich Beispiele für den Einsatz in der Industrie, vorwiegend im gehobenen Preissegment. Am Ende der Arbeit wird über die Wahrscheinlichkeit eines verstärkten Einsatzes des Clinchens in der verbauenden Industrie diskutiert, sowie ein möglicher Einsatz in der verarbeitenden Industrie angedacht.

2 Fügetechniken

Das Fügen gehört zu den Fertigungsverfahren und ist der Hauptgruppe vier zugeordnet. Fügen bietet ein breites Spektrum an Möglichkeiten, Teile verschiedenster Materialarten dauerhaft zusammenzuführen.

Fügen wird langläufig auch als „Verbinden“ bezeichnet und beschreibt sämtliche Schweiß-, Löt- und Klebeverbindungen, sowie auch das Fügen durch Umformen. Fügen kann somit als das Zusammenbringen von zwei oder mehreren Werkstücken, geometrisch fester Form, mit oder ohne Hilfsstoff, bezeichnet werden. Dabei wird ein örtlicher, stoffschlüssiger oder form- und kraftschlüssiger, unlösbarer Zusammenhalt geschaffen, und im Ganzen vermehrt.^[3]

Die einzelnen Fügeverfahren lassen sich weiteres in punktförmige (wie Nieten oder Clinchen), flächenförmige (wie Kleben oder Auftragsschweißen) und in linienförmige (gewöhnliche Schweißnaht) unterteilen.^[4]

Innerhalb des Montageprozesses, der den Kernprozess von Produktionsbetrieben bildet, stellt Fügen eine Schl üsselkompetenz für die Erzeugung von Produkten mit kundenrelevanten Eigenschaften dar. Somit liegt ein Großteil der Erfolgskompetenz in der Fertigungsplanung und der Produktkonstruktion. Beide Bereiche verantworten die Auswahl des effektivsten Fügeverfahrens aufgrund der später gewünschten Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Dichtheit, Korrosionsbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit der Verbindung.^[5]

Im nächsten Schritt werden die Fügetechniken Punktschweißen und die Gruppe der Fügetechniken durch Umformen näher beleuchtet.

2.1 Punktschweißen

2.1.1 Grundlagen Schweißen

Unter einer Schweißverbindung versteht man eine stoffschlüssige, unlösbare Verbindung, die durch die Wirkung von Adhäsions- (Anhangskraft der Grenzflächen) oder Kohäsionskräften (atomarer Zusammenhalt) zwischen Fügeteilen, mit oder ohne Hilfsmittel, entsteht. Die dadurch erwachsende hohe technische Zuverlässigkeit der zusammengefügten Bauteile und die Vielzahl der unterschiedlichen Verfahren (Abbildung 2) und Einsatzmöglichkeiten, machen Schweißen zu einem der führenden Fügeverfahren in der fertigenden Industrie.^[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Vielfalt der Schweißverfahren im Laufe der Jahrzehnte^[7]

Dem Zweck nach, lässt sich Schweißen in Verbindungs- und Auftragsschweißen, sowie nach den Verfahrensarten, in Schmelz- (Wärmeeinwirkung) und Pressschweißen (Krafteinwirkung) gruppieren. Dabei wird der Werkstoff an der Fügestelle immer in einen flüssigen oder plastischen Zustand versetzt, und es kommt zu Gefügeänderungen an der Schweißstelle.^[8]

Das Schmelz-Verbindungsschweißen charakterisiert, dass meist gleichartige Metallteile an den Verbindungsstellen geschmolzen und vereinigt werden. Dies kann mit oder ohne Zugabe von Hilfsstoffen (z.B.: Elektroden, Fülldrähte, usw.) erfolgen. Die somit entstandene Verbindung kommt ohne Kraftaufwand zustande. Beim Press-Verbindungsschweißverfahren erfolgt die Verbindung durch Krafteinwirkung mittels Zusammenpressen, wiederum mit oder ohne Hilfsstoff. Ein örtliches Erwärmen ermöglicht bzw. erleichtert den Verbindungsvorgang.^[9]

Weniger bedeutend ist das Kaltpressschweißen, wobei rein die Einwirkung von Kraft für den festen Zusammenhalt sorgt.^[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1: Überblick - Entstehen von Schweißverbindungen^[11]

2.1.2 Vertiefung Punktschweißen

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass es sich beim Punktschweißen um ein Widerstandspressschweißverfahren handelt. Der Werkstoffverbund resultiert aus dem Einleiten eines ElektrodenstromesI, einer sich daraus entwickelnden WärmeQ,und einer gleichzeitig einwirkenden KraftF.^[12]

Voraussetzung für das Schaffen einer Verbindung mittels Punktschweißen sind elektrisch leitfähige Werkstoffe. An den Verbindungsstellen fließt ein über Kupferelektroden zugeführter Strom, der durch den auftretenden elektrischen Widerstand (WiderstandswärmeQ) eine Verbindung in der Schweißzone herstellt. Die an beiden Seiten angebrachten Elektroden üben eine PresskraftFauf die zu verbindenden Teile aus, und unterstützen so den Schweißvorgang bzw. die später gewünschte Verbindungsfestigkeit.^[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Verfahrensprinzip Punktschweißen^[14]

Wie Abbildung 3 zeigt, durchfließt ein über den Sekundärkreislauf eingeleiteter StromIdie WiderständeRin einer bestimmten Zeit. So erzeugt er die für den Verbindungsvorgang nötige Wärmeenergie (Berechnung mittelsJoulschemGesetz:Q = I² . R . t). Dies bedeutet, dass die Rahmenbedingungen so zu gestalten sind, dass der in der Schweißlinse auftretende Kontaktwiderstand, die größtmögliche Wärme in der zur Verfügung stehenden Zeit erzeugt. Daraus ergibt sich, dass ein optimales Schweißergebnis von der Wärmeleitfähigkeit des Werk- und Elektrodenwerkstoffes, aber vor allem vom Oberflächenzustand der Elektrode und des Werkstückes (Kontaktwiderstände) abhängt.^[15]

In der praktischen Anwendung ergeben sich Schweißzeiten zwischen 40 bis 800 Millisekunden (Wechselstorm 50 Hz) unter Berücksichtigung des Werkstoffes, der Teileabmessungen und des gewünschten Verbindungsdurchmessers. Die verflüssigte Schweißstelle erkaltet unter Druck nach Abschalten des Stromes und eine kreisflächenähnliche Verbindungsstelle, die sogenannte Schweißlinse, entsteht.^[16]

[...]

^[1] Vgl.: Fachwissen Technik (2011): Definition des Begriffes Fertigungsverfahren. http://www.fachwissen-technik.de/verfahren/fertigungsverfahren.html [Stand: 7.04.2011].

^[2] Verändert übernommen aus: Fachwissen Technik (2011): Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580. http://www.fachwissen-technik.de/verfahren/fertigungsverfahren.html [Stand 7.04.2011].

^[3] Vgl.: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. 9. neu bearbeitete Auflage. Berlin/Heidelberg: Springer. S.115.

^[4] Vgl.: Koether, Reinhard/Rau, Wolfgang (2008): Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure. 3. aktualisierte Auflage. München: Hanser. S. 189.

^[5] Vgl.: Koether, Reinhard/Rau, Wolfgang (2008): Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure. S. 188.

^[6] Vgl.: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 115 f.

^[7] Verändert übernommen aus: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 115.

^[8] Vgl.: Koether, Reinhard/Rau, Wolfgang (2008): Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure. S. 190.

^[9] Vgl.: Fachwissen Technik (2011): Einteilung der Schweißverfahren. http://www.fachwissen-technik.de/verfahren/schweissen.html [Stand 12.04.2011].

^[10] Vgl.: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 116.

^[11] Verändert übernommen aus: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 117.

^[12] Vgl.: Dilthey, Ulrich (2006): Schweißtechnische Verfahren. 1. Schweiß- und Schneidetechnologie. 3. bearbeitete Auflage. Berlin/Heidelberg: Springer. S. 137.

^[13] Vgl.: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 197.

^[14] Verändert übernommen aus: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 198.

^[15] Vgl.: Fritz, A. Herbert/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. S. 198 f.

^[16] Vgl.: Dilthey, Ulrich (2006): Schweißtechnische Verfahren. 1. Schweiß- und Schneidetechnologie. S. 139.