DE19744312A1 - Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff, ein Verfahren zur Vorbehandlung zumindest des Fügebereiches wenigstens eines Fügepartners sowie ein Verbundbauteil aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Fügepartnern. Die Erfindung betrifft insbesondere Verbindungsverfahren zur Anwendung im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeug-Karosseriebau.
Fahrzeuge, insbesondere Karosserien von Kraftfahrzeugen sind bisher weit überwiegend aus Stahlwerkstoffen, insbesondere Stahlblechen hergestellt worden. Für Fügepartner aus Stahlwerkstoffen gibt es daher eine breit einsetzbare und gut erprobte Vielzahl von Fügeverfahren, insbesondere thermischen Fügeverfahren wie Schweißen etc.
In jüngerer Zeit werden im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeug-Karosseriebau auch verstärkt andere Werkstoffe und Werkstoffkombinationen - wie Aluminium oder Kunststoffe - eingesetzt. Seit neuestem finden auch Magnesiumwerkstoffe - d. h. Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen - verstärkte Anwendung im Fahrzeugbau.
Da für Fügepartner aus Magnesiumwerkstoffen Fügeverfahren bisher kaum bekannt und nur wenig erprobt sind, besteht die Aufgabe, verbesserte Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 2, durch ein Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 14, durch ein Vorbehandlungsverfahren gemäß Anspruch 44, durch ein Verbundbauteil gemäß Anspruch 46 sowie deren Weiterbildungen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das umformtechnische Fügeverfahren gemäß Anspruch 1, das kombinierte Umform-Klebe- Fügeverfahren gemäß Anspruch 2 sowie das Klebeverbindungsverfahren gemäß Anspruch 14 umgehen die beträchtlichen Schwierigkeiten, die beim Schweißen von Magnesiumwerkstoffen auftreten. Dennoch gestatten sie eine sichere, feste und langzeitstabile Verbindung herzustellen, die auch den hohen Anforderungen im Kraftfahrzeug-Karosseriebau genügt.
Als umformtechnische Fügeverfahren werden bevorzugt Durchsetzfügen (auch Druckfügen oder Clinchen genannt), Nieten sowie Verschrauben eingesetzt.
Als Nieten kommen insbesondere Stahlnieten sowie Nieten aus einem Aluminiumwerkstoff in Frage. Um beim Nieten Probleme durch Kontaktkorrosion zu vermeiden, ist auf die Auswahl des Materials der verwendeten Nieten besonderes Augenmerk zu richten. Bei Stahlnieten haben sich in Versuchen der Anmelderin zinkbeschichtete Stahlnieten bewährt. Bei Nieten aus einem Aluminiumwerkstoff sind Aluminiumlegierungen vorzuziehen, deren Gehalt an Kupfer, Eisen sowie anderen mit Magnesiumlegierungen kontaktkorrosionsfördernden Spurenelementen jeweils unter 1% liegt. Grundsätzlich sind Aluminiumnieten Stahlnieten vorzuziehen, da sie leichter sind, weniger Kontaktkorrosion mit Magnesiumlegierungen zeigen und bei einem späteren Recycling des erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteils weniger störend bei der weiteren Verwendung des erhaltenen Magnesium- Recyclats wirken. Hinsichtlich der Festigkeit des Niets gegenüber mechanischen Beanspruchungen beim oder nach dem Nieten sind sie allerdings Stahlnieten unterlegen. Zur Verringerung bzw. Vermeidung von Spaltkorrosion können an allen Nieten- oder Schraubenarten Dichtmassen vorgesehen werden.
Als Nietformen kommen insbesondere Stanz-Vollniete und/oder Stanz-Halbhohlniete sowie Blindniete in Frage. Blindniete können auch bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Fügezone eingesetzt werden, während Stanzniete eine zweiseitige Zugänglichkeit des Fügebereichs voraussetzen.
Die wenigstens zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff können auch vorteilhaft durch Verschrauben miteinander verbunden werden. Hier können insbesondere selbstschneidende Schrauben zum Einsatz kommen, die eine besonders rasche und wirtschaftliche Verarbeitung erlauben. Hinsichtlich der Materialauswahl der Schrauben gelten ähnliche Überlegungen, wie sie zuvor bezüglich der Nieten dargelegt wurden.
Bei Versuchen der Anmelderin hat es sich besonders bewährt, umformtechnische Fügeverfahren wie Durchsetzfügen, Nieten und/oder Verschrauben mit einer zusätzlichen Verklebung der Fügebereiche der beiden Fügepartner zu kombinieren. Dabei hat es sich gezeigt, daß sich bei einem z. B. streifenförmigen, mit Klebemittel versehenen Fügebereich der beiden Magnesium-Fügepartner besonders feste Verbindungen ergeben, wenn die Durchsetzfügepunkte und/oder Nieten und/oder Schrauben nicht oder zumindest nicht ausschließlich in der Mitte der z. B. streifenförmigen Klebemittel-Auftragszone angeordnet sind, sondern längsseitig in den Randbereichen des z. B. streifenförmigen Klebemittel- Auftrags angeordnet sind.
Grundsätzlich können die wenigstens zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff aber auch durch reine Klebeverbindungen miteinander gefügt werden. Generell haben aber kombinierte Durchsetzfüge/Niet/Schraub/-Klebe-Verbindungen in Versuchen der Anmelderin die höchsten erreichten statischen und dynamischen Festigkeitswerte gezeigt.
Als Kleber kommen sowohl für reine Klebeverbindungen als auch für kombinierte Umform- Klebe-Verbindungen bevorzugt sowohl Kleber auf Polyurethan-Basis als auch Kleber auf Epoxidharz-Basis in Frage. Kleber auf Epoxidharz-Basis ermöglichen hochfeste Klebungen; sie werden daher bevorzugt z. B. für Strukturteile einer Kraftfahrzeugkarosserie verwendet, bei denen es auf hohe Festigkeit ankommt. Dies können z. B. Klebungen bei oder mit Karosseriesäulen oder -profilen sein.
Kleber auf Polyurethan-Basis ermöglichen hingegen elastische Klebungen auch bei größeren Fügespalten, da sie ein besseres Spaltfüllungsvermögen besitzen. Sie werden daher bevorzugt für Klebungen an der Karosserieaußenhaut eines Kraftfahrzeugs verwendet, z. B. am Karosseriedach. Daneben kommen beispielsweise auch Klebebänder für eine Klebefügung in Frage.
Generell hat es sich bewährt, die Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff zumindest im Fügebereich vor dem Fügen einer Wärmevorbehandlung zu unterziehen. Die thermische Vorbehandlung geschieht typischerweise bei 150 bis 200°C. Durch diese Wärmevorbehandlung werden insbesondere Risse und Sprünge beim Eindrücken bzw. Durchdringen des Magnesiummaterials durch das Durchsetzwerkzeug bzw. durch die Nieten bzw. durch die Schrauben vermindert oder ganz vermieden. Generell treten beim Nieten oder Schrauben Risse und Sprünge im Werkstoff in geringerem Ausmaß auf als beim Durchsetzfügen.
Insbesondere bei der Verwendung von Klebemitteln, und zwar sowohl bei reinen Klebeverbindungen als auch kombinierten Umform-Klebe-Verbindungen, hat es sich bewährt, die Fügepartner zumindest im Fügebereich einer Oberflächenvorbehandlung zu unterwerfen. Diese Oberflächenvorbehandlung kann dazu dienen, die Oberfläche zumindest im Fügebereich zu reinigen und so eine bessere Haftung des Klebemittels an den Fügepartnern im Fügebereich zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann sie auch dazu dienen, haftvermittelnde Substanzen auf die Fügepartner zumindest im Fügebereich aufzubringen, um klebetechnisch günstige Bedingungen auf den Fügeflächen zu schaffen.
Bei den Versuchen der Anmelderin wurden verschiedene Oberflächenvorbehandlung­ smethoden angewandt, die einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden können.
Generell empfiehlt sich eine Vorbehandlung zumindest der Fügeflächen mittels Lösungen von reinigungsaktiven Substanzen - z. B. Detergentien und/oder Tenside und/oder einem alkalischen Reinigungsbad - und/oder mittels organischer Lösungsmittel. Auf diese Weise können Fette, Öle, Schmutz, Staub und sonstige Oberflächenverschmutzungen, die eine optimale Benetzung der zu fügenden Oberflächen durch den Klebstoff behindern, verringert bzw. entfernt werden. Als organische Lösemittel haben sich bei Versuchen der Anmelderin insbesondere Aceton CH3COCH3 und/oder Methylethylketon CH3COC2H5 bewährt. Die Reinigungswirkung der vorzugsweise wäßrigen Lösung reinigungsaktiver Substanzen bzw. der organischen Lösemittel kann durch eine Ultraschallbehandlung noch wesentlich verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Vorbehandlung zumindest der Fügeflächen mittels einer Lösung reinigungsaktiver Substanzen und/oder zur Oberflächenvorbehandlung mit organischen Lösemitteln kann eine mechanische, insbesondere abrasive Oberflächenvorbehandlung zumindest der späteren Fügeflächen erfolgen.
Ein Möglichkeit dazu ist ein Bürsten, Reiben, Schleifen, Läppen oder Polieren zumindest des Fügebereiches wenigstens eines der Fügepartner. Besonders bewährt hat sich bei Versuchen der Anmelderin ein Bürsten mittels eines Vlieses aus synthetischen Nylon®- Fasern, auf welche phenolharzgebundenes Aluminiumoxid Al2O3 aufgebracht ist. Derartige Bürsten sind unter der Bezeichnung Scotch-Brite® von der Firma 3M im Handel. Wegen der federnden Lagerung der Aluminiumoxid-Schleifkörner auf den Nylon®-Fasern sind dabei die erzielten Rauhtiefen im Vergleich z. B. zum Schleifen der Fügeoberflächen wesentlich geringer. Die zu behandelnde Magnesiumoberfläche wird vor dem Fügen gründlich, aber besonders schonend gereinigt und aufgerauht, so daß mit diesem Verfahren auch dünne Teile ohne Geometrieveränderungen der Fügeoberflächen und ohne allzu starke Erhöhungen der Rauhigkeit der Fügeoberflächen bearbeitet werden können. Durch Variationen der verwendeten Bürsten können unterschiedliche Rauhtiefen leicht eingestellt werden. Durch den Eintrag von Bestandteilen der Kunstharzbindung in die vorzubehandelnde Magnesiumoberfläche beim Bürsten wird zusätzlich eine klebetechnisch günstige Oberfläche erzeugt. Dieser Effekt kann noch besser ausgenutzt werden, indem man statt der herkömmlichen Phenolharzbindung der Schleifkörner auf den Fasern der kommerziell erhältlichen Scotch-Brite®-Bürsten Fasern verwendet, die ein dem später verwendeten Klebstoff entsprechendes oder ähnliches Kunstharz-System - z. B. auf Epoxidharz- oder Polyurethanbasis - zur Bindung der Schleifkörner tragen.
Alternativ oder zusätzlich zum Bürsten, Schleifen, Polieren, Reiben oder Läppen kann als ein anderes mechanisches abrasives Vorbehandlungsverfahren auch ein Partikelstrahlen zumindest im Bereich einer der späteren Fügeflächen vorgenommen werden. Bewährt hat sich bei Versuchen der Anmelderin ein Druckluftstrahlen mit Edelkorund (GBEK) als Strahlmittel. Das als Strahlmittel nach DIN 8201 spezifizierte Edelkorund besteht überwiegend aus Aluminiumoxid-Körnchen (Al2O3). Durch Beeinflussung der Strahlparameter, wie verwendeter Strahlluftdruck, Strahlwinkel, Strahlabstand, Zusammensetzung des Strahlmittels, Kornform und Korngröße des Strahlmittels usw. kann das Strahlverfahren leicht auf die vorliegenden Magnesiumwerkstoff-Fügepartner und die gewünschte Strahlergebnisse eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den bisher beschriebenen Oberflächenvorbehandlungs­ verfahren der Magnesiumwerkstoff-Fügepartner kann zumindest im späteren Fügebereich auch eine chemische Aktivierungsvorbehandlung durchgeführt werden.
Besonders bewährt hat sich dabei in Versuchen der Anmelderin ein Anodisieren der Fügepartner zumindest im Fügebereich. Unter Anodisieren wird ein Verfahren verstanden, bei dem durch Anlegen einer Spannung an dem vorzubehandelnden Fügeteil eine neue Oberflächenschicht auf dem Fügeteil bzw. zumindest auf dessen Fügebereich gebildet wird. Diese Schichten werden in wäßrigen Elektrolytlösungen unter Zuhilfenahme einer äußeren Stromquelle erzeugt, wobei das Werkstück als Anode geschaltet ist. Dadurch wird der Grundwerkstoff umgewandelt und ist durch die Reaktion seiner Metallwerkstoffionen mit dem Elektrolytpartner am Schichtaufbau beteiligt. Durch das Anodisieren kann die Adhäsion zwischen Fügeoberfläche und Klebmittel verbessert und die Korrosionsneigung des Metallwerkstoffes vermindert werden.
Bei Versuchen der Anmelderin haben sich als Anodisiermittel 8-Hydroxychinolin-Lösungen und/oder 8-Hydroxychinolinderivat-Lösungen, welche einen Spacer zum polymeren Klebstoff bzw. Lack beinhalten, und/oder Natronlaugelösungen NaOH/L und/oder Phosphorsäurelösungen H3PO4/L und/oder Schwefelsäurelösungen H2SO4/L bewährt.
Alternativ oder zusätzlich kann als anderes chemisches Aktivierungsvorbehandlungs­ verfahren auch das Aufbringen einer Lösung eines Phosphonsäurederivats als Haftvermittler auf mindestens eine der miteinander zu verbindenden Fügeoberflächen durchgeführt werden.
Als weiteres chemisches Oberflächenaktivierungs-Vorbehandlungsverfahren kommt eine Fluorzirkonat-Vorbehandlung in Frage. Fluorzirkonat-Vorbehandlungen sind für andere Werkstoffe, insbesondere Stähle, bereits bekannt.
Alternativ oder zusätzlich kommt als weiteres chemisches Oberflächenvorbehandlungs- Aktivierungsverfahren auch ein Chromatieren zumindest der Fügefläche zumindest eines der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff in Frage. Auch das Chromatieren ist für Stahlwerkstoffe bereits bekannt.
Alle diese Oberflächen-Vorbehandlungsverfahren können jeweils allein oder in Kombination miteinander eingesetzt werden. Für alle in Lösung stattfindenden Oberflächen- Vorbehandlungsverfahren bietet sich unterstützend eine gleichzeitig oder alternierend erfolgende Ultraschallbehandlung an.
Durch die geschilderten Oberflächenvorbehandlungsverfahren werden im wesentlichen folgende Ziele verfolgt: die Oberfläche soll insbesondere gegenüber Polymeren (z. B. Klebemitteln und Lacken) aktiviert werden. (Dies beinhaltet z. B. die Entfernung von Ölen, Fetten und Staub sowie die Entfernung bereits vorhandener Oxidschichten auf korrodierten Magnesiumoberflächen.) Die Kontaktkorrosion soll verringert bzw. vermieden werden. Auf den Oberflächen zumindest des Fügebereichs erzeugte Oberflächenschichten sowie ggf. verwendete Klebstoffe sollen umformbar, insbesondere tiefziehfähig, temperaturstabil auch im Temperaturbereich von Lackier- und/oder KTL-Tauchbädern (d. h. bis zu etwa 200°C), gut haftfähig und lagerfähig auch bei Bewetterung sein.
Bei den verwendeten Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff, worunter sowohl Magnesium als auch Magnesiumlegierungen verstanden werden, kann es sich beispielsweise um Gußteile, insbesondere Druckgußteile, aber auch um Blechteile, insbesondere gewalzte Blechteile, oder um Preßteile, insbesondere Strangpreßteile, handeln. Die Fügeverfahren werden vorteilhaft im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeug-Karosseriebau eingesetzt. Z. B. können die geschilderten Verfahren zum Fügen einer Fahrzeugsäule oder Fahrzeugsäulenkomponente mit einem Fahrzeugschweller oder einer Fahrzeugschwellerkomponente, mit einem Fahrzeuglängsträger oder einer Fahrzeuglängsträgerkomponente oder mit einem Fahrzeugdach oder einer Fahrzeugdachkomponente dienen. Sie können auch beispielsweise zum Fügen eines innenliegenden Fahrzeug-Seitenteils oder einer innenliegenden Fahrzeug-Seiten­ teilkomponente mit einem außenliegenden Fahrzeug-Seitenteil bzw. einer außenliegenden Fahrzeug-Seitenteilkomponente dienen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele geschildert, die unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Überlapp-Fügeverbindung zweier Fügepartner (im Ausbruch) aus einem Magnesiumwerkstoff, wobei eine kombinierte Niet-Klebe- Verbindung dargestellt ist;
Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 1 durch die Fügeverbindung der Fig. 1.
Die Fügeuntersuchungen bei der Anmelderin wurden vorzugsweise an plattenförmigen Proben aus Magnesiumwerkstoffen mit einer Dicke von 1,5 bis 2,5 mm durchgeführt. Überwiegend wurde die standardisierte, kommerziell erhältliche Magnesium- Druckgußlegierung AM 50 (MgAl5Mn) verwendet. Die Zusammensetzung der Magnesiumlegierung beträgt nach Herstellerangaben 4,50 bis 5,30% Aluminium Al, 0,28 bis 0,50% Mangan Mn, ≦ 0,20% Zink Zn ≦ 0,05% Silizium Si, ≦ 0,08% Kupfer Cu ≦ 0 001% Nickel Ni ≦ 0,004% Eisen und ≦ 0,01% andere Bestandteile je chemischen Element; der Rest ist Magnesium Mg. Daneben wurden auch die kommerziell erhältlichen, standardisierten Magnesiumlegierungen AM 60, AZ 91 und AZ 31 verwendet.
Die Probeplatten wurden zunächst überwiegend einer Entfettung in einem Aceton-Bad bei Raumtemperatur unterworfen, wobei gleichzeitig Ultraschall (Frequenz 20 bis 40 kHz) zur Erhöhung der Reinigungswirkung des Acetonbades eingesetzt wurde.
Ein Teil der Probekörper wurde anschließend einer mechanischen abrasiven Oberflächenvorbehandlung der Fügezonen durch Bürsten mittels handelsüblicher Scotch- Brite®-Bürsten unterzogen. Die verwendeten Bürsten bestehen aus einem Vlies von Nylon®-Fa­ sern, auf welche mittels eines Phenolharzes gebundenes Aluminiumoxid Al2O3 aufgebracht ist. Das Scotch-Brite®-Bürsten diente dem Abtrag dünner Oxidschichten (typischerweise maximal 100 µm Dicke) bei annähernd konstanter Rauhigkeit der Bearbeitungsoberfläche.
Ein anderer Teil der Probekörper wurde mittels Edelkorund-Körnern in einer Trockenstrahlanlage druckluftgestrahlt. Das als Strahlmittel eingesetzte Edelkorund bestand zu mehr als 95% aus Aluminiumoxid(Al2O3)-Körnern, hatte eine durchschnittliche Mohshärte von 9, eine kantige Kornform und eine Körnung von 0,12 bis 1,5 mm. Der Strahldruck betrug 8 bar, der Abstand 10 cm und der Strahlwinkel 90°. Anschließend wurden die Probenplatten mit Druckluft abgeblasen und nochmals einer Aceton- Tauchbadentfettung im Ultraschallbad unterzogen, um lose haftende Strahlmittelrückstände auf den Fügeteiloberflächen zu entfernen.
Ein Teil der Probeplatten wurde einer chemischen Aktivierungs-Vorbehandlung mittels eines Phosphonsäurederivats unterzogen, das die Fähigkeit besitzt, aufgrund vorliegender Hydroxidgruppen mit Magnesium stabile Chelatkomplexe zu bilden und dadurch als Haftvermittler dienen kann. Von dem Phosphonsäurederivat wurde eine 0,5-gewichtsprozentige wäßrige Lösung mit einem pH-Wert gleich 3 hergestellt. Die vorher mit Aceton im Ultraschallbad entfetteten Magnesiumproben wurden dann 10 Minuten lang in die Lösung getaucht, anschließend mit Wasser abgespült und getrocknet.
Andere Proben wurden einer chemischen Vorbehandlung durch Anodisieren unterzogen. Dazu wurden die Proben zunächst im Aceton-Ultraschallbad entfettet und anschließend einer alkalischen Reinigung in einer alkalischen wäßrigen Lösung aus 50 Gramm pro Liter Natriumhydroxid NaOH und 10 Gramm pro Liter Trinatriumorthophosphatdodecahydrat unterzogen. Die anschließend mit Wasser abgespülten Proben wurden danach jeweils 15 Minuten lang bei einem Anodisierstrom von 12 mA/cm2 in das jeweilige Anodisierbad eingelegt. Als Kathode diente jeweils eine Edelstahl-Kathode.
Eines der verwendeten Anodisierbäder setzte sich aus einer wäßrigen Lösung aus 25 Gramm pro Liter Kaliumdichromat K2Cr2O7 und 25 Gramm pro Liter Ammoniumsulfat (NH4)2SO4 zusammen. Andere Anodisierbäder enthielten wäßrige Lösungen von Natronlauge NaOH/L, von Phosphorsäure H3PO4/L, von Schwefelsäure H2SO4/L, von 8-Hydroxychinolin sowie einem 8-Hydroxychinolinderivat, das einen Spacer zum polymeren Klebstoff bzw. Lack beinhaltete.
Im Anschluß an die Behandlung im Anodisierbad wurden die Proben jeweils mit Wasser abgespült und getrocknet.
Andere Magnesiumproben wurden einer Fluorzirkonatbehandlung im Fügebereich unterworfen. Beim Fluorzirkonatverfahren handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren der Firma Chemetall mittels eines NP-Bonders (verwendet wurde der NP-Bonder C4740).
Dieses chromfreie Behandlungsprodukt bildet eine Konversionsschicht, die die Haftung und Unterwanderungsbeständigkeit von Lacken (speziell von Pulverlacken) verbessert.
Andere Probenkörper wurden einer Chromatierung unterworfen. Als Chromatierverfahren wurde das NH 35-Verfahren der Firma Norsk Hydro verwendet. Das NH 35-Verfahren ergibt eine gute Passivierung gegen Korrosion sowie eine gute Haftvermittlung zu organischen Überzügen (z. B. Klebstoffen und Lacken). Der Behandlungsprozeß wurde wie folgt durchgeführt: zunächst wurden die Probekörper in einem organischen Lösemittelbad und/oder in einem wäßrigen alkalischen Bad, ggf. unter Ultraschallunterstützung, gereinigt. Anschließend wurde - sofern alkalische Reinigungsbäder verwendet wurden - eine Spülung mit Wasser vorgenommen und daraufhin 20 bis 30 Sekunden lang das Chromatierungsverfahren durchgeführt. Abschließend wurden die Probekörper wiederum mit Wasser abgespült und getrocknet.
Die derart vorbehandelten Fügeteile wurden sodann mittels verschiedener Klebstoffe bei Raumtemperatur zusammengeklebt.
Als ein Klebstoff wurde ein heißhärtender einkomponentiger Epoxidkleber auf Basis von Bisphenol-A und Bisphenol-F verwendet. Epoxidkleber dieses Typs werden unter der Bezeichnung XW 1185 und unter der Bezeichnung XD 4600 von der Firma Ciba-Geigy, Basel kommerziell angeboten. Der Epoxidkleber kann z. B. in KTL-Tauchbädern der Automobilindustrie ausgehärtet werden.
Als ein anderer Kleber wurde ein einkomponentiger Polyurethan-Klebstoff verwendet, der unter der Bezeichnung Tivo 9551/43 von der Firma Tivoli, Hamburg kommerziell angeboten wird.
Die Klebeversuche wurden teils unmittelbar nach den geschilderten Oberflächenvorbehandlungsverfahren, teilweise auch nach mehrstündigem bzw. mehrtägigem Abwarten - teilweise unter Außenbewetterung - durchgeführt.
Bei einem Teil der hergestellten Klebeverbindungen wurde zusätzlich eine Verbindung mittels Stanz-Vollnieten, Stanz-Halbhohlnieten, Blindnieten und/oder gewindeschneidender Schrauben durchgeführt. Die verwendeten Nieten bzw. Schrauben bestanden entweder aus einer besonders kupfer- und eisenarmen Aluminiumlegierung, oder aus mit einer ALMAC- Zink-Beschichtung versehenem Stahl. Derartige ALMAC-Zink-Beschichtungen sind in H. Kaesche. Die Korrosion der Metalle, Springer-Verlag 1990 näher geschildert.
Besonders bewährt hat sich, die Durchsetzfügepunkte, Nieten 3 und/oder Schrauben nicht in der Mitte des Klebemittelauftrags in der streifenförmigen Fügezone anzuordnen, sondern sie längsseitig in den Randbereichen der Klebemittelauftragszone anzubringen (vergl. Fig. 1 und Fig. 2). Hinsichtlich des Klebeanteils einer Niet-Klebe-Verbindung bzw. Durchsetzfüge- Klebe-Verbindung bzw. Schraub-Klebe-Verbindung der beiden Magnesiumwerkstoff- Fügepartner 1, 2 ist nämlich die Festigkeit der Klebeverbindung mittels des Klebemittels 4 im mittleren Bereich C der streifenförmigen Fügezone 5 optimal, während sie in den Randbereichen A, B der Fügezone 5 deutlich geringer ist. Ordnet man nun in diesen Randbereichen A, B der streifenförmigen Fügezone 5 die Nieten 3, Durchsetzfügestellen und/oder Schrauben an, so verleihen diese der kombinierten Niet-Klebe-Verbindung bzw. Durchsetzfüge-Klebe-Verbindung bzw. Schraub-Klebe-Verbindung genau in diesen durch den Klebstoff 4 nur schwächer verbundenen Randbereichen A, B eine hohe Verbundfestigkeit.
Bei mit dem Polyurethan-Klebstoff durchgeführten Niet-Klebe-Versuchen bildet das Nietelement das "Hauptfügeverfahren". Das (im Vergleich zu Epoxidharz-Klebstoffen) mit der niedrigeren Steifigkeit ausgestattete, gut verformbare Polyurethan wird vorwiegend als Dichtstoff, Korrosionsschutz und Dämpfungswerkstoff genutzt. Beim Einsatz der steiferen Epoxidkleber wirkt hingegen das Kleben als "Hauptfügeverfahren". Das Nieten dient hier als Fixierhilfe sowie als Entlastung bei bestimmten Arten mechanischer Belastung.
Bei den Versuchen der Anmelderin haben sich sowohl reine umformtechnische Fügeverfahren als auch reine Klebeverfahren zur Verbindung von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff als geeignet erwiesen. Als besonders geeignet, da besonders fest, langzeitstabil und sicher erwiesen sich die jeweils kombinierten Umform-Klebe-Fügeverfahren.

Claims (47)

1. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner durch ein oder mehrere umformtechnische Fügeverfahren miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umformtechnische Fügeverfahren mit einem Klebefügeverfahren kombiniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als umformtechnisches Fügeverfahren Durchsetzfügen verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als umformtechnisches Fügeverfahren Nieten verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nieten ein Niet aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere ein zinkbeschichtetes Stahlniet verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nieten ein Niet aus einem Aluminiumwerkstoff verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, die höchstens ein Gewichtsprozent Kupfer Cu und/oder Eisen Fe enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nieten ein Stanzniet, insbesondere ein Stanz-Vollniet und/oder ein Stanz-Halbhohlniet verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nieten ein Blindniet verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als umformtechnisches Fügeverfahren Verschrauben, insbesondere mittels gewindeschneidender Schrauben, verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Niet bzw. Schraube und Magnesiumwerkstoff zur Verringerung oder Vermeidung von Korrosion ein Dichtstoff verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Druchsetzfügepunkte bzw. Nieten (3) bzw. Schrauben in den Randbereichen der Klebemittelanordnung (4) angeordnet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Klebemittel (4) streifenförmig angeordnet wird und die Durchsetzfügepunkte bzw. die Nieten (3) bzw. die Schrauben längsseitig in den Randbereichen (A, B) des streifenförmigen Klebemittelauftrags (4) angeordnet sind.
14. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner durch ein Klebefügeverfahren miteinander verbunden werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebemittel ein Kleber auf Polyurethanbasis verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebemittel ein Kleber auf Epoxidharzbasis verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einer Vorbehandlung, insbesondere einer Reinigungsvorbehandlung und/oder einer Oberflächenaktivierungsvorbehandlung, unterzogen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einer Wärmevorbehandlung unterzogen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmevorbehandlung bei etwa 150 bis 200°C stattfindet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich mit einem flüssigen Reinigungsmittel gereinigt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Reinigungsmittel ein organisches Lösungsmittel und/oder ein alkalisches Reinigungsmittel und/oder eine Detergentien-/Tensidelösung ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösemittel Aceton CH3COCH3 und/oder Methylethylketon CH3COC2H5 ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einem mechanischen Reinigungsverfahren, insbesondere einem mechanischen abrasiven Reinigungsverfahren, unterzogen wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Reinigungsverfahren ein Bürsten, Reiben, Läppen, Schleifen und/oder Polieren im Fügebereich umfaßt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Bürsten mittels Fasern geschieht, auf welche kunstharzgebundenes Aluminiumoxid Al2O3 aufgebracht ist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische abrasive Reinigungsverfahren Partikelstrahlen umfaßt.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlmittel Edelkorund aus einem Druckluftstrahl verwendet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einer chemischen Vorbehandlung unterzogen wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Fügen zumindest auf den späteren Fügebereich wenigstens eines der Fügepartner aus Magnesiumwerkstoff ein Haftvermittler aufgebracht wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler ein Phosphonsäurederivat ist.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Haftvermittlers durch Anodisieren geschieht.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer 8-Hydroxychinolin-Lösung und/oder mit einer 8-Hydroxychinolinderivat-Lösung, welche einen Spacer zum Polymer beinhaltet, und/oder mit einer Natronlauge-Lösung NaOH/L und/oder mit einer Phosphorsäure-Lösung H3PO4/L und/oder mit einer Schwefelsäure- Lösung H2SO4/L anodisiert wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einer Flourzirkonatvorbehandlung unterzogen wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff vor dem Fügen zumindest im Fügebereich einer Vorbehandlung durch Chromatieren unterzogen wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung bzw. Vorbehandlung vor dem Fügen zumindest des Fügebereiches wenigstens eines der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff durch eine Ultraschallbehandlung unterstützt wird.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der wenigstens zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff ein Gußteil, insbesondere ein Druckgußteil ist.
37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der wenigsten zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff ein Preßteil, insbesondere ein Strangpreßteil ist.
38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der wenigstens zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff ein Blechteil, insbesondere ein gewalztes Blechteil ist.
39. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeug-Karosseriebau eingesetzt wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Fügen einer Fahrzeugsäule oder Fahrzeugsäulenkomponente mit einem Fahrzeugschweller oder einer Fahrzeugschwellerkomponente dient.
41. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Fügen einer Fahrzeugsäule oder Fahrzeugsäulenkomponente mit einem Fahrzeuglängsträger oder einer Fahrzeuglängsträgerkomponente dient.
42. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Fügen einer Fahrzeugsäule oder Fahrzeugsäulenkomponente mit einem Fahrzeugdach oder einer Fahrzeugdachkomponente dient.
43. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Fügen eines innenliegenden Fahrzeug-Seitenteils oder einer innenliegenden Fahrzeug- Seitenteilkomponente mit einem außenliegenden Fahrzeug-Seitenteil oder einer außenliegenden Fahrzeug-Seitenteilkomponente dient.
44. Verfahren zur Vorbehandlung zumindest des Fügebereiches wenigstens eines Fügepartners aus einem Magnesiumwerkstoff zur Vorbereitung eines Fügens mit mindestens einem weiteren Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff.
45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 43 weitergebildet ist.
46. Verbundbauteil aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Fügepartnern, wobei wenigstens zwei der Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die wenigstens zwei Fügepartner aus einem Magnesiumwerkstoff durch ein Verbindungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 43 miteinander verbunden sind.
47. Verbundbauteil nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil Bestandteil eines Fahrzeugs, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Karosserie ist.
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