DE102014101808B4

DE102014101808B4 - Verfahren und Probe zur Prüfung einer Klebeverbindung

Info

Publication number: DE102014101808B4
Application number: DE102014101808.7A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Hahn
Original assignee: Lwf Transfer & Co KG GmbH
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: DE102014101808A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung (3) mit einem Klebstoff zwischen zwei Fügeteilen aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach einer thermischen Belastung während der Fertigung oder während der Nutzung, dadurch gekennzeichnet, dass – aus beiden Fügeteilen eine U-Profilschiene (1, 2) mit einer äußeren Bodenseite (5) in der Länge der zu prüfenden Klebeverbindung (3) hergestellt wird, – beide U-Profilschienen (1, 2) an ihren äußeren Bodenseiten eine Verbindungsfläche bilden, an der sie über den Klebstoff verbunden werden; – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) an einer Seite in einem Festlager halten werden, – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) mindestens einem Wärmezyklus unterworfen und – nach der Abkühlung die verklebten U-Profilschienen (1, 2) auf Schädigungen untersucht werden, und – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) in mehrere Doppel-U-Proben (a, b, c, d, e) geteilt werden, – diese Proben einzeln in eine Zugprüfmaschine eingespannt und – auf ertragbare Kräfte an der jeweiligen Klebeverbindung (3) geprüft werden.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung mit einem Klebstoff zwischen zwei Fügeteilen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach einer thermischen Belastung.
In der Massenproduktion von Produkten wie Autos werden lang bewährte Fügeverfahren wie Nieten oder Schrauben zur Verbindung von Fügeteilen eingesetzt. Es kommen aber in zunehmenden Maße Klebeverbindungen zum Einsatz, da diese unkompliziert ohne vorangehende Arbeitsschritte in der Produktion eingesetzt werden können.
Die Klebeverbindungen zwischen Fügeteilen werden in der Produktion häufig über einen Wärmezyklus ausgehärtet. Dabei kann es zu Schädigungen über die Länge der Klebeverbindung kommen, da sich unterschiedliche Fügeteile in dem Wärmezyklus verschieden weit ausdehnen. Auch durch die Beanspruchung der verklebten Fügeteile bei der Nutzung, etwa bei den Karosserieteilen von Fahrzeugen, kann es durch Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und Salz zu Schädigungen der Klebeverbindungen kommen. Die auftretenden Schädigungen sind nicht bevorzugt richtungsabhängig.
Für eine Prüfung von Verklebungen werden bisher im allgemeinen nach der Norm DIN 53281 vorgegebene Proben verwendet. Dabei handelt es sich um zwei einfache rechteckige, längserstreckende Blechstücke, welche teilweise überlappen und flächig mit dem zu prüfenden Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Als sogenannte "Scherzugprobe" werden diese Bleche jeweils einendig übereinandergelegt und dort miteinander verbunden. Sie werden dann in der Prüfmaschine senkrecht zu ihrer Verbindungsstelle, d.h. parallel zur Erstreckungsebene der Bleche, wieder auseinandergezogen. Bei der "Kopfzugprobe" werden die Bleche kreuzweise übereinander gelegt, in der Mitte miteinander verbunden und anschließend in der Prüfmaschine parallel zur Verbindungsstelle, d.h. senkrecht zur Erstreckungsebene der Bleche, auseinandergezogen. Daneben ist noch die sogenannte "Schälzugprobe" bekannt, bei der die Enden der Bleche abgekantet und die abgekanteten Enden flächig voreinander gelegt und miteinander verbunden werden. In der Prüfmaschine wird die Probe parallel zu ihrer Längserstreckung senkrecht zu den zusammengefügten, abgekanteten Flächen auseinandergezogen.
Für die Prüfung von punktförmigen Klebeverbindungen ist auch eine H-förmige Probe bekannt, deren Herstellung in der Patentschrift DE 195 22 247 B4 beschrieben ist. Die Proben werden aus einem flächigen Materialzuschnitt hergestellt. In dieser Patentschrift wird nicht darauf eingegangen, wie die Kennwerte einer sich längs erstreckenden Klebeverbindung zwischen Fügeteilen aus unterschiedlichem Material geprüft werden können.
Die bei einer Prüfung der Klebeverbindung ermittelten Kennwerte umfassen die ertragbaren Spannungen in unterschiedlichen Richtungen, also den ertragbaren Kopfzug, Scherzug und den Schälzug.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Prüfungsverfahren für die Kennwerte sich längs erstreckender Klebeverbindungen zwischen Fügeteilen aus Material mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mittels aus dem Verbund der Fügeteile gewonnener Proben anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und den Proben nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung vorgesehen. Die Klebeverbindung ist dabei mit einem Klebstoff zwischen zwei Fügeteilen aus Material mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Die Kennwerte der Klebeverbindung werden nach deren thermischen Belastung geprüft.
Für die Durchführung des Verfahrens wird aus beiden Fügeteilen eine U-Profilschiene mit einer äußeren Bodenseite in der Länge der zu prüfenden Klebeverbindung hergestellt. Mit ihren äußeren Bodenseiten bilden beide U-Profilschienen eine Verbindungsfläche, an der sie über den Klebstoff verbunden werden. Die verbundenen U-Profilschienen werden an einer Seite in einem Festlager gehalten und mindestens einem Wärmezyklus unterworfen. Nach der Abkühlung werden die verklebten U-Profilschienen auf Schädigungen untersucht. Eine solche Untersuchung kann zunächst rein optisch erfolgen, etwa ob sich nach einem Abkühlen ein Unterschied in der Länge der Fügeteile ergeben hat. Dabei sind auch Schädigungsstellen der Klebeverbindung zu erkennen. Nach dieser Untersuchung werden die verbundenen U-Profilschienen in mehrere Doppel-U-Proben geteilt. Diese Proben werden einzeln in eine Zugprüfmaschine eingespannt und auf ertragbare Spannungen an der jeweiligen Klebefläche geprüft.
Auf diese Weise können die Kennwerte der Klebeverbindung mittels mehrerer Doppel-U-Proben über ihre Länge ermittelt werden. Es ist der Einfluss der Relativverschiebung der Fügeteile während eines Wärmezyklus zu erkennen und die damit einhergehende Schädigung zu bewerten. Es zeigt sich, dass die zunehmende Relativverschiebung über die Länge der Klebeverbindung zu einer Verringerung der ertragbaren Spannungen führt.
Das Verfahren ist nicht nur zur Überprüfung der Klebeverbindungen auf Schädigungen während der Produktion vorgesehen. Es können damit die Klebeverbindungen auch auf Schädigungen überprüft werden, die durch Wärmezyklen während der Nutzung der Fügeteile entstehen. Die Wärmezyklen entstehen auch durch die Wärmeänderungen bedingt durch Sonneneinstrahlung, verbunden mit Feuchtigkeit und Salz. Aus so belasteten Fügeteilen können Doppel-U-Proben gewonnen und überprüft werden.
Die zu prüfenden Kennwerte der Klebeverbindung umfassen die ertragbaren Spannungen an der Klebefläche in verschiedenen Richtungen. Die Winkel der Prüfrichtungen in Bezug auf die Klebefläche betragen dabei üblicherweise 0°, 30°, 60° und 90°. Es werden somit Prüfungen des Kopfzuges, des Scherzuges und des Schälzuges vorgenommen.
Das Verfahren wird vorzugsweise auf Metalle angewendet, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Eine typische Kombination von Fügeteilen sind solche aus Stahl und Aluminium.
Die Proben zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung sind aus zwei Fügeteilen hergestellt, die aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Die Klebeverbindung ist mit einem aushärtenden Klebstoff hergestellt. Die Prüfung erfolgt nach einer thermischen Belastung der Klebeverbindung. Die Proben zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus Abschnitten von U-Profilschienen bestehen, die die Länge der zu prüfenden Klebeverbindung besitzen und mit dem Klebstoff an ihren äußeren Bodenseiten als Verbindungsfläche zu einer H-Form zusammengeklebt sind. In den Schenkeln der H-förmigen Abschnitte sind Löcher für eine feste Verbindung in einem Aufnahmehalter einer Zugprüfmaschine eingearbeitet.
Mit den Löchern in den Schenkeln werden die Doppel-U-Proben in dem Aufnahmehalter der Zugprüfmaschine festgeschraubt. Der Aufnahmehalter ist so eingerichtet, dass eine Prüfung unter verschieden Prüfwinkeln in Bezug auf die Klebefläche erfolgen kann.
In den Figuren ist das Verfahren mit seinen Komponenten dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung von geklebten U-Profilschienen;
2 eine Seitenansicht von geklebten U-Profilschienen;
3 eine Seitenansicht der geklebten U-Profilschienen mit den Probenabschnitten;
4 eine Doppel-U-Probe;
5 ein Diagramm mit Prüfergebnissen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung von zwei verklebten U-Profilschienen 1, 2, die die Länge der zu prüfenden Klebeverbindung besitzen. Die U-Profilschienen 1, 2 sind über die Klebeschicht an ihren äußeren Bodenflächen miteinander verbunden und an einem Ende über ein Festlager fest zusammengehalten werden, damit sich die Relativverschiebung während eines Wärmezyklus nur in einer Richtung ausbreitet.
In 2 sind die beiden U-Profilschienen 1, 2 mit dem Festlager 4 in der Seitenansicht dargestellt. Die Klebeverbindung 3 erstreckt sich über die gesamte Länge der U-Profilschienen 1, 2 und befindet sich zwischen den beiden äußeren Bodenflächen 5a und 5b. in dieser Darstellung ist angedeutet, dass sich die beiden U-Profilschienen 1, 2 bei einem Wärmezyklus aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich weit in ihrer Länge ausgedehnt haben.
In 3 ist dargestellt, wie aus den verbunden U-Profilschienen 1, 2 über die Länge die verschiedenen Proben a, b, c, d, e mit eventuell unterschiedlich geschädigten Klebeverbindungen 3 gewonnen werden.
4 zeigt eine isometrische Ansicht einer Doppel-U-Probe aus Abschnitten der U-Profilschienen 1, 2 gemäß 3, in deren Schenkel die Aufnahmelöcher 6 eingebracht sind. Die Klebeverbindung 3 befindet sich zwischen den äußeren Bodenflächen 5a, 5b der beiden Abschnitte der U-Profilschienen 1, 2. Die Pfeile zeigen die Winkel der Prüfrichtungen 0°, 30°, 60°, 90° und damit die Belastung der Klebefläche 3 während der Prüfung an.
In 5 ist ein Diagramm mit beispielhaften Prüfergebnissen für die verschiedenen Proben a, b, c, d, e einer Klebeverbindung dargestellt. Für die Probe a ist die ertragbare Zugkraft Z und die ertragbare Scherkraft S in den verschiedenen Prüfwinkeln 0°, 30°, 60°, 90° eingetragen. Die weiteren Proben b, c, d, e ertragen keine Zugkraft Z sondern nur eine verschieden große Scherkräfte S. Für die Kräfte S und Z wird die Einheit Kilonewton [kN] verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Erste Profilschiene
2: Zweite Profilschiene
3: Klebeverbindung
4: Festlager
5, 5a, 5b: Äußere Bodenfläche
6: Aufnahmeloch
S: Scherkraft
Z: Zugkraft
a, b, c, d, e: Proben

Claims

Verfahren zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung (3) mit einem Klebstoff zwischen zwei Fügeteilen aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach einer thermischen Belastung während der Fertigung oder während der Nutzung, dadurch gekennzeichnet, dass – aus beiden Fügeteilen eine U-Profilschiene (1, 2) mit einer äußeren Bodenseite (5) in der Länge der zu prüfenden Klebeverbindung (3) hergestellt wird, – beide U-Profilschienen (1, 2) an ihren äußeren Bodenseiten eine Verbindungsfläche bilden, an der sie über den Klebstoff verbunden werden; – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) an einer Seite in einem Festlager halten werden, – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) mindestens einem Wärmezyklus unterworfen und – nach der Abkühlung die verklebten U-Profilschienen (1, 2) auf Schädigungen untersucht werden, und – die verbundenen U-Profilschienen (1, 2) in mehrere Doppel-U-Proben (a, b, c, d, e) geteilt werden, – diese Proben einzeln in eine Zugprüfmaschine eingespannt und – auf ertragbare Kräfte an der jeweiligen Klebeverbindung (3) geprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung nach mehreren Wärmezyklen mit Doppel-U-Proben aus den geklebten Fügeteilen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ertragbaren Kräfte (S, Z) an der Klebeverbindung (3) in verschiedenen Richtungen geprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Prüfrichtungen in Bezug auf die Klebeverbindung 0°, 30°, 60° und 90° betragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Metalle sind.
Proben zur Prüfung einer sich über eine Länge erstreckenden Klebeverbindung (3) aus einem Klebstoff zwischen zwei Fügeteilen aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach einer thermischen Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass die Proben aus Abschnitten von U-Profilschienen (1, 2) bestehen, die mit dem Klebstoff an ihren äußeren Bodenseite (5) als Verbindungsfläche zu einer H-Form zusammengeklebt sind und die Länge der zu prüfenden Klebeverbindung (3) besitzen, und in den Schenkeln der H-förmigen Abschnitte Aufnahmelöcher (6) für eine feste Verbindung in einem Aufnahmehalter einer Zugprüfmaschine eingearbeitet sind.