DE10329231B3

DE10329231B3 - Verbindung zwischen zwei Blechen

Info

Publication number: DE10329231B3
Application number: DE10329231A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. Mattheck; Oliver Prof. Dr. Kraft; Iwiza Dr. Tesari
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-06-29

Abstract

Verbindung zwischen zwei Blechteilen, umfassend einen Überlappungsbereich, an dem Bereiche beider Blechteile unter Bildung eines Spaltbereichs aufeinander liegen, wobei die Bereiche der beiden Blechteile formschlüssig aneinander angepasst sind, sowie Fügemittel, welches den Spaltbereich ausfüllt. Aufgabe ist es, eine Verbindung zwischen zwei Blechteilen vorzuschlagen, welche eine erhöhte Festigkeit aufweist, dabei aber ohne plastische Verformungsbereiche auskommt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Blechteile unmittelbar angrenzend zum Überlappungsbereich auf der dem jeweils anderen Blechteil zugewandten Seite entweder mindestens eine Entlastungskerbe oder einen Blechrand aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Blechen, umfassend einen Überlappungsbereich, an dem Bereiche beider Bleche unter Bildung eines Spaltbereichs aufeinander liegen, sowie ein Fügemittel, welches den Spaltbereich ausfüllt, gemäß des ersten Patentanspruchs.
In der Praxis der Blech verarbeitenden Industrie greift man zum Zusammenfügen von Blechteile meist auf klassische Verbindungsverfahren, wie Schrauben, Nieten oder auf Schweißverbindungen zurück. Diese Verfahren sind jedoch vergleichsweise aufwendig und damit teuer. Außerdem führen sie bereits prinzipbedingt zu einer unerwünschten Materialschwächung und zu zusätzlichen Spannungsspitzen besonders an den eh schon hoch belasteten Übergangsbereichen der zu verbindenden Blechteile.
Alternativen hierzu bieten die eingangs genannten Verbindungen von Blechteilen, bei denen ein Überlappungsbereich zwischen zwei Blechen mit Fügemittel, wie Klebstoffe oder Lote ausgefüllt sind. Die Blechteile werden hierzu, abgesehen von eventuell vorzunehmenden mechanischen, thermischen oder chemischen Vorbereitung der unmittelbar betroffenen Blechoberflächen durch Reinigungsvorgänge, Aktivierungen durch Ätzen oder mechanisches Aufrauen, nicht weiter geschwächt.
Derartige Verbindungen zwischen zwei Blechteile weisen Materialübergänge auf und stellen so schon prinzipbedingt Schwachstellen einer Konstruktion dar. Besonders größere ruckartige oder schwingende Belastungen führen oft zu einem Versagen derartiger Verbindungen durch Aufreißen insbesondere des Materialübergangs zwischen Fügemittel und Blechteilen. Dabei beginnt ein Aufreißen prinzipiell an den Stellen maximaler lokal begrenzter Spannungsüberhöhung (Spannungsspitzen) sowie geringster Bauteilfestigkeit, d.h. bevorzugt an inhomogenen Materialübergängen sowie an konstruktiv bedingten Kerbenwirkungsbereichen.

Aus [1] sind Klebverbindungen zwischen zwei Blechteilen bekannt, welche einen Überlappungsbereich unter Bildung eines mit Klebstoff ausgefüllten Spaltbereichs aufweisen. Es wird erwähnt, dass die konstruktive Gestalt der Verbindung einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit hat. Um in der Klebfuge Schubspannungsunterschiede zu vermeiden und Spannungsspitzen zu begrenzen, wird eine Schäftung der beiden Bleche im Überlappungsbereich vorgeschlagen.

In [2] und [3] werden kräfteübertragende Klebverbindungen von plattenförmigen Bauteilen wie Blechen offenbart, bei denen die kritischen Bereiche der Klebverbindung konstruktiv durch dickere fließfähige Klebfugen entschärft werden.

[4] und [5] dagegen offenbaren Klebeverbindungsverfahren für flächige Bauteile wie Karosseriebleche. Während [4] eine beidseitige formschlüssig ineinander greifende Profilierung der Bauteile vorgeschlagen wird, offenbart [5] alternativ oder zusätzlich eine einseitige Profilierung zur Variierung der Klebschichtdicke vor.

Ferner wird in [6] eine Klebverbindung von zwei sich überlappenden Blechen vorgeschlagen. Im Überlappungsbereich werden beide Bleche gezielt mit Durchbrüchen geschwächt, womit die Bleche bereits mit geringeren Kräften dehnbar sind und sich dem jeweils gegenüberliegenden Blechbereich mit einer geringeren Klebfugenbelastung anpassen können.

In [7] wird eine Klebverbindung vorgeschlagen, welche sich für eine Verklebung von Blechen speziell für den Automobilbereich eignet. Die Verbindung umfasst dabei einen Überlappungsbereich, an dem Bereiche beider Blechteile unter Bildung eines Spaltbereichs aufeinander liegen und mit einem Klebstoff ausgefüllt sind, wobei die Bereiche der beiden Blechteile formschlüssig aneinander angepasst sind. Um die eigentliche Klebverbindung bei ruckartiger Belastung, wie sie beispielsweise bei Autounfällen auftreten kann, zu entlasten und vor einem Versagen zu schützen, wurde nur ein Teil der genannten Spaltbereiche mit Klebstoff ausgefüllt. Die nicht mit Klebstoff versehenen Bleche im Überlappungsbereich wurden dagegen so gestaltet, dass sie eine mögliche schlagartige Deformationen der umgebenden Blechkonstruktion nur durch eine gezielte plastische Verformung dieser Überlappungsbereiche unter teilweiser Aufgabe der formschlüssigen Anpassung kompensieren.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitere Verbindung zwischen zwei Blechteilen vorzuschlagen, welche eine erhöhte Festigkeit aufweist, dabei aber ohne plastische Verformungsbereiche auskommt.

Die Aufgabe wird durch eine Verbindung zwischen zwei Blechteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Verbindung wieder.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung betreffen die Entlastungskerben, welche in die Bleche unmittelbar angrenzend zum Überlappungsbereich auf der dem jeweils anderen Blechteil zugewandten Seite vorgesehen sind, sofern an dieser Stelle kein Randbereich des Blechs vorliegt.

In den unmittelbar an den Kerben angrenzenden Oberflächenbereichen des Überlappungsbereichs, welche zudem auch die Randbereiche einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Blech und Fügemittel darstellen, treten nämlich lokal die höchsten Scherbelastungen (Schubspannungen) der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Blechoberfläche und dem verwendeten Fügemittel auf. Derartige lokale Spannungsspitzen bewirken ein lokales Aufreißen der schwächsten Stelle, d. h. der genannten stoffschlüssigen Verbindung, wobei der entstehende Riss sich im Anschluss durch die gesamte Klebfuge durchzieht. Dieser Mechanismus ist bei Fügemitteln wie Lote oder Klebstoffe grundsätzlich der gleiche.

Durch Entlastungskerben werden insbesondere die angrenzenden Oberflächenbereiche des Blechs und des Klebers entlastet, d.h. auftretende Spannungen und Verformungen reduziert, und damit die Spannungsspitzen drastisch reduziert. Grundsätzlich wird angestrebt, die Randbereiche der Verbindung, an der der stoffschlüssige Materialübergang für eine eventuell korrosiv wirkende Atmosphäre (z.B. Feuchtigkeit, Lösungsmittel etc.) frei zugänglich ist, zu entlasten. Entlastungskerben reduzieren auch bei den eingangs erwähnten optimierten Klebverbindungen mit Schäftung, bei denen eine möglichst über die Klebfuge gleichbleibende Schubspannungsverteilung angestrebt wird, die Schubspannungen in den Randbereichen der Klebverbindungen weiter und reduzieren damit auch hier ein Aufreißen der Verbindung.

Besonders interessante, da leicht verarbeitbare Fügemittel sind Klebstoffe, d. h. Kunststoffe. Sie weisen im Vergleich zu Metallen wie die genannten Bleche oder Lote jedoch nicht nur ein geringeres Elastizitätsmodul und oft geringeres Adhäsionsvermögen zu Blechen auf, sondern auch ein ausgeprägteres Fließverhalten.

Dieses Fließverhalten begünstigt ein Abbau der vorgenannten Spannungsspitzen zwar bei langsam wechselnder, aber nicht bei schlagartiger oder schnell wechselnder Belastung. Insofern wirken sich die genannten Entlastungskerben besonders bei Klebeverbindungen zwischen Blechteilen, welche schlagartig belastet werden, besonders günstig aus.

Eine weitere Verbesserung der Verbindungsfestigkeit ist allein dadurch zu erzielen, den Spaltbereich zwischen den beiden Blechen vollständig mit dem Fügemittel zu füllen, da Inhomogenitäten grundsätzlich zu zusätzlichen lokalen Spannungsüberhöhungen und damit zu einer Rissinitiierung führen.

Auch eine Profilierung der Bleche im Überlappungsbereich erhöht die Festigkeit der Verbindung. Allein durch die Auslegung der Profilierung ist zudem eine Reduzierung der Spannungsspitzen erreichbar. Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Profilierung nicht nur dann aus, wenn die Überlappungsbereiche der beiden Blechteile formschlüssig aneinander angepasst sind. Sind einzelne Spaltbereiche zudem so zur übrigen Ausrichtung der beiden Bleche abgewinkelt, werden die hierin enthaltenen Fügemittel sowie die Stoffübergänge zu den beiden Blechen bei einer Relativbelastung der beiden Bleche zueinander eine überlagerte vorteilhafte Druckbelastung erfahren, welche die Scherfestigkeit der Verbindung erheblich erhöht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1a und b Ausführungsformen einer Verbindung mit Entlastungskerben, sowie
2a und b Ausführungsformen mit formoptimierter Klebfuge.
Die drei Grundtypen einer stoffschlüssigen Verbindung von zwei Blechen 1 mit Entlastungskerben 2 und Fügemittel 3 sind in den 1a und b wiedergegeben.
1a zeigt exemplarisch eine vorzugsweise mit einem Präge-, Streckzieh- oder Tiefziehziehverfahren eingebrachte oder eingebogene Entlastungskerbe. Präge-, Streckzieh- oder Tiefziehziehverfahren sind Kaltumformverfahren, welche das bereits vorverfestigte Gefüge der meist gewalzten Bleche weiter kaltverfestigt. Dabei wird die Streckgrenze, welche die an einem Werkstoff angelegte Spannung beim Übergang von elastischer zu plastischer Dehnung angibt, erhöht. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt daher im erweiterten elastischen Spannungs-Dehnungsverhalten.
Die in 1b offenbare Ausführungsform zeigt dagegen Entlastungskerben, welche vorzugsweise über spanabhebendes Verfahren wie z.b. Schleifen, Fräsen, Kratzen, Stoßen etc. einseitig in die Bleche eingearbeitet sind. Unter Umständen bietet es sich aber auch an (definierter plastischer Dehnbereich, Sollbruchstelle etc.), Entlastungskerben unter bestimmten Rahmenbedingungen auch beidseitig gegenüberliegend oder zur Vermeidung zu großer Materialschwächungen versetzt zueinander im Blech vorzusehen. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird das Gefüge der Bleche im Bereich um die Entlastungskerben hierdurch nicht kaltverformt, d. h. es kommt nicht zu der zuvor genannten zusätzlichen Verfestigung mit Anhebung der Streckgrenze. Derartig eingebrachte Kerben sollten daher nur dann eingesetzt werden, wenn plastische Verformung bei einer erhöhten Belastung der Verbindung tolerierbar oder gar erwünscht ist, beispielsweise in Knautschzonen im PKW-Bereich. Dagegen ist die Ausführungsform, wie sie 1a repräsentiert, dann vorzuziehen, wenn die Verbindung auch höhere Belastungen ohne plastische Verformung überstehen soll.
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten, d. h. Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den 2a und b wieder, wobei die gezeigten Optimierungen auch miteinander kombinierbar sind.
Die Ausführungsform gem. 2a zeichnet sich durch eine Schäftung, d.h. gezielte Schwächung der Blechbereiche im Überlappungsbereich 4 im Bereich des Fügemittels aus. Dabei sind die Bleche so geschwächt, dass die vom Fügemittel aufzunehmende Scherbeanspruchung und damit die übertragenen Kraftanteile über den Überlappungsbereich idealer weise homogen verläuft. Dabei ist ein gleich bleibend elastisches Dehnungsverhalten der Bleche im gesamten Überlappungsbereich sicherzustellen, wobei bereits von einem Blechsegment über das Fügemittel auf das gegenüberliegende Blechsegment übertragene Kraftanteile in für die Dehnung nachfolgende Blechsegmente nicht mehr zur Verfügung stehen. Die dadurch reduzierte Kraft wird durch eine entsprechende Reduzierung der Blechdicke kompensiert.
Näherungsweise ist die Schäftung linear ansteigend keilförmig. Es empfiehlt sich aber eine zusätzliche Schwächung oder Kerbung der Bleche im Bereich um die Keilspitze (an den Randbereichen des Überlappungsbereichs 4) zur lokalen Entlastung der Verbindung in den Bereichen einer bevorzugten Rissinitiierung (Versagensursprung). Auch die asymmetrische Kraftübertragung über die Verbindung im Überlappungsbereich legt nach einer rechnergestützten Analyse, beispielsweise mit einer Finite-Elemente-Methode (FEM), eine entsprechende Korrektur der exakten linear ansteigenden Keilform nahe.
2b zeigt eine optimierte Ausführungsform, bei der die Blechteile im Überlappungsbereich 4 eine Topographie aufweisen, beispielsweise gewellt gestaltet sind, aber in ihrer Form aneinander angepasst sind. Sie liegen flächig unter Bildung eines vollständig mit Fügemittel ausgefüllten Spaltbereichs aufeinander. Insbesondere die Randbereiche des Überlappungsbereichs 4 sind so eingebogen, dass dort bei einem Auseinanderziehen der beiden Bleche 1 eine zusätzliche Druckbelastung auf das Fügemittel ein Aufreißen der Verbindung behindert. Dieser Verzahnungseffekt wird vor allem bei Topographien wirksam, welche einzelne Flächenbereiche aufweisen, die in einem Winkel größer 40° zu der Ausrichtung der Bleche außerhalb der Überlappungsbereichs 4 abgewinkelt sind. Vorzugsweise liegen diese Bereiche mit den größten Abwinkelungen in den Bereichen, an denen die größten Scherbelastungen im Fügemittel 3 zu erwarten sind, d.h. der Verzahnungseffekt besonders genutzt wird. Dies sind vorzugsweise die Randbereiche des Überlappungsbereichs 4, bei denen eines der beiden Bleche einen Rand, das andere eine Entlastungskerbe aufweist (vgl. 2b).
Literatur:

[1] Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage (1981), Seite 366, Bild 30, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York
[2] DE 1 575 156 A
[3] DE 1 204 462 C
[4] DE 44 31 991 A1
[5] DE 198 31 982 A1
[6] US 2.679.468
[7] DE 197 48 786 A1

Claims

Verbindung zwischen zwei Blechen (1), umfassend a) einen Überlappungsbereich (4), an dem Bereiche beider Bleche unter Bildung eines Spaltbereichs aufeinander liegen, wobei die Bereiche der beiden Bleche formschlüssig aneinander angepasst sind, sowie b) Fügemittel (3), welches den Spaltbereich ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass c) Entlastungskerben (2) vorgesehen sind, welche in die Bleche unmittelbar angrenzend zum Überlappungsbereich (4) auf der dem jeweils anderen Blech zugewandten Seite vorgesehen sind, sofern an dieser Stelle kein Randbereich des Blechs vorliegt.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügemittel (3) den Spaltbereich vollständig ausfüllt.
Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügemittel (3) ein Klebstoff ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungskerbe (2) im Blech eingearbeitet oder durch ein Kaltumformverfahren eingeformt ist.
Verbindung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (1) im Überlappungsbereich (4) eine Schäftung aufweisen.
Verbindung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bleche im Überlappungsbereich (4) eine dreidimensionale Topographie aufweisen.
Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Topographie Flächenbereiche aufweist, welche in einem Winkel größer 40° zu der Ausrichtung der Bleche (1) außerhalb der Überlappungsbereichs (4) abgewinkelt sind.