EP2223076A2

EP2223076A2 - Probeanordnung zur prüfung einer fügeverbindung

Info

Publication number: EP2223076A2
Application number: EP08853096A
Authority: EP
Inventors: Thomas Bruder; Halvar Schmidt; Michael JÖCKEL
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-09-01
Also published as: WO2009065378A2; WO2009065378A3; DE102007061547A1

Abstract

Beschrieben wird eine Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung unter statischer und/oder zeitlich veränderlicher Belastung, mit wenigstens zwei Fügepartnern, die längs wenigstens eines gemeinsamen Kontaktbereiches über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügeverbindung eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, linien- oder streifenhafte Form mit einer Längserstreckung aufweist, längs der die Fügeverbindung zumindest abschnittweise gekrümmt verläuft, und dass wenigstens ein Fügepartner über eine dreidimensionale Raumform verfügt.

Description

Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung unter statischer und/oder zeitlich veränderlicher Belastung, mit wenigstens zwei Fügepartnern, die längs wenigstens eines gemeinsamen Kontaktbereiches über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind.

Probenanordnungen zur experimentellen Untersuchung von Fügeverbindungen sind trotz heutiger voranschreitender numerischer Modellrechnungen für eine zuverlässige Weiterentwicklung und Qualitätssicherung von neuen und bestehenden Produkten unersetzbar. Insbesondere gilt es anhand experimenteller Untersuchungen Erkenntnisse zu gewinnen, die für die Optimierung numerischer Modellrechnungen wichtig sind und somit die Aussagekraft numerischer Berechnungsergebnisse zu verbessern helfen.

Zwar liefern experimentelle Festigkeitsuntersuchungen, insbesondere im Wege von Schwingfestigkeitsversuchen, an Original-Bauteilen weitgehend realitätsnahe Erkenntnisse sowohl in Bezug auf die Material- als auch Fügeverbindungszuverlässigkeit, doch ist die Verfügbarkeit von Bauteilen nicht immer gegeben oder aber mit zum Teil sehr hohen Kosten verbunden. Zudem ist die Eignung von Original-Bauteilen für Festigkeitsuntersuchungen aufgrund ihrer Abmaße, ihres Gewichtes oder aber mangels Zugänglichkeit an die zu untersuchenden Fügestellen nicht immer gegeben. Nicht zuletzt auch aus Kostengründen ist es daher erforderlich, Festigkeitsversuche an möglichst einfachen Proben durchzuführen, doch sind auch hierbei Grenzen bzw. hohe Anforderungen bei der technischen Vereinfachung der Ausgestaltung von experimentell zu untersuchenden Proben gesetzt, zumal ein vernünftiges Maß an Übertragbarkeit der durch die Probenversuche gewonnenen Erkenntnisse auf die realen Bauteile gegeben sein muss. Ziel ist es daher, möglichst bauteil-ähnliche Proben zu verwenden, die einerseits eine Übertragbarkeit von Versuchserkenntnissen auf reale Bauteile erlauben und andererseits den konstruktiven und finanziellen Aufwand zur Realisierung derartiger Proben in Grenzen halten. Insbesondere bestehen folgende Anforderungen an Bauteil ähnliche Proben: a) Mit dem realen Bauteil vergleichbare und definierte Steifigkeit der Fügepartner, b) ähnlicher Beanspruchungszustand in der Fügezone im Vergleich zu realen Bauteilen, c) Möglichkeit der Kraftumleitung bei Schädigungsbeginn und -fortschritt, d) Möglichkeit zur Berücksichtigung von sich während der Probenschädigung einstellenden Abstützeffekte zwischen den wenigstens beiden Fügepartnern, e) Zugänglichkeit der Fügezonen zur Überwachung des Schädigungsbeginn und -fortschrittes mit Hilfe geeigneter Messmethoden und Messsensoren, um nur einige zu nennen.

Stand der Technik

Im Laufe der Zeit ist eine Vielzahl verschiedener Probenanordnungen zur Untersuchung von Fügeverbindungen entwickelt worden, die grundsätzlich in zwei Kategorien einteilbar sind, nämlich in sogenannte Detailproben und bauteilähnliche Strukturproben.

Ein typischer Vertreter von Detailproben ist die sogenannte KS-ll-Probe, die in Figur 2e illustriert ist und zwei Fügepartner mit einem gemeinsamen Überlapp als Fügebereich aufweist. Eine derartige Probe ist in der DE 195 22 247 B4 näher erläutert und wird aufgrund ihrer nur geringen Herstellungskosten und einfachen Prüfbarkeit in Bezug auf Festigkeits- und Schwingungsbelastbarkeit häufig eingesetzt. Jedoch resultiert bei einer derartigen Probe beispielsweise mit einer Klebverbindung eine für Bauteile atypische homogene Beanspruchung in der Fügezone, während sie beispielsweise mit einer Punktschweißverbindung lediglich über eine sehr begrenzte Steifigkeit verfügt. Die KS-ll-Probe ist nur unter großem Vorbehalt mit den Eigenschaften realer Bauteile vergleichbar. Weitere diesbezügliche Detailproben stellen Widerstandspunktschweißverbindungen nach DIN 50124 oder DIN 50164 dar oder auch U-Proben, wie sie beispielsweise in N. N., „Resistance Welding Manual" (4. Edition), Herausgeber: Resistance Weiders Manufactures Association (RWMA), Philadelphia, PA USA, 1989, beschrieben sind.

Demgegenüber weisen bauteilähnliche Strukturproben höhere, mit den realen Strukturen durchaus vergleichbare Steifigkeiten auf und sind auch kostengünstig herstellbar. In Figur 2a und b sind derartige Proben dargestellt. Figur 2a zeigt eine Hutprofilprobe, in Figur 2b ist eine Doppel-Hutprofilprobe dargestellt. Derartige Hutprofilproben verfügen über gute Zugänglichkeiten an die Fügeebene zur messtechnischen Erfassung von während der Belastungsuntersuchung sich einstellenden Schädigungsereignissen sowie deren zeitliche Weiterentwicklung bei Fortdauer des Beanspruchungsversuches. Obwohl derartige Hutprofilproben sowohl mittels Schweiß-, Klebe- und/oder Stanznietverbindungstechniken fügbar sind und einen zumeist länglich ausgebildeten Fügebereich aufweisen, sind mit diesen Proben nur eingeschränkte und sehr spezielle Beanspruchungszustände im Rahmen von Festigkeitsuntersuchungen realisierbar.

Eine weitere Variante von bauteilähnlichen Strukturproben stellen sogenannten H- Proben dar, die in den Figuren 2c und 2d dargestellt sind. In Figur 2c ist eine sogenannte H-Scherzugprobe und in Figur 2d eine sogenannte H-Schälzugprobe gezeigt. Letztere weist im Unterschied zur ersteren eine gemeinsame Fügeebene auf, längs der die jeweils miteinander verbundenen Fügepartner im Wege der vorstehend genannten Fügetechniken verbunden sind. Handelt es sich beispielsweise um eine Klebnaht, so kann diese geometriebedingt lediglich längs einer vorgegebenen Linie oder eines vorgegebenen. Streifenbereiches zwischen beiden Fügepartnern aufgebracht werden, so dass der Klebenahtanfang und das Klebenahtende jeweils innerhalb des beanspruchten Probenbereiches während der Festigkeitsprüfung zu liegen kommen. Hierdurch können sich jedoch Bereiche für eine Schadensinitiierung längs der Fügeverbindung ergeben. Auch bei den an sich bekannten H-Proben sind lediglich eingeschränkte nur sehr speziell wählbare Beanspruchungszustände realisierbar, die sich beispielsweise in Form unrealistischer relativ gleichmäßiger Beanspruchungszuständen innerhalb der Fügezone auszeichnen.

Schließlich sei als letztes Beispiel für bauteilähnliche Strukturproben auf die sogenannte T-Stoß-Probe gemäß der Bilddarstellung in Figur 2f verwiesen, die neben realitätsnaher Steifigkeitseigenschaften über den Vorteil aufweist, vorhandene Kraftumleitungen sowie auch gegenseitige Abstützeffekte bei Schädigungsbeginn sowie während des Schädigungsfortschrittes näher zu untersuchen. Gleichwohl auch weisen derartige Proben eine Reihe von Nachteilen auf, wie beispielsweise untypisch starke lokale Spannungsüberhöhungen und einen dadurch bedingten frühzeitigen Anriss und relativ lange Rissfortschrittphasen, schlechte Zugänglichkeiten an die jeweiligen Fügezonen zur messtechnischen Erfassung möglicher Ermüdungserscheinungen im Bereich der Fügeverbindungen, der Nahtanfang sowie das Nahtende, beispielsweise von Klebnahtfügeverbindungen liegen jeweils im beanspruchten Probenbereich und stellen Initialbereiche für Rissausbildungen oder vergleichbare Verbindungsschwächungen dar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung unter statischer und/oder zeitlich veränderlicher Belastung, mit wenigstens zwei Fügepartnern, die längs wenigstens eines gemeinsamen Kontaktbereiches über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind, derart weiterzubilden, dass mit möglichst kostengünstigen und konstruktiv einfach auszubildenden Mitteln eine möglichst realitätsnahe Nachbildung der Festigkeitseigenschaften von Fügeverbindungen an realen Bauteilen möglich wird. Insbesondere gilt es eine Probenanordnung bereitzustellen, die folgenden Anforderungen gerecht wird: definierte Steifigkeit der Fügepartner, ähnlicher Beanspruchungszustand in der Fügezone im Vergleich zu realen Bauteilen, Möglichkeit der Kraftumleitung bei Schädigungsbeginn und/oder -fortschritt, Möglichkeit zur Berücksichtigung möglicherweise auftretender Abstützeffekte zwischen beiden Fügepartnern, Zugänglichkeit der Fügezone zur Überwachung des Schädigungsbeginn und -fortschrittes mit Hilfe von Messsensoren, im Falle der Verwendung von Nahtverbindungen soll die Nahtgeometrie ohne Nahtanfang bzw. -ende im hochbeanspruchten Probenbereich liegen und letztlich sollte es grundsätzlich möglich sein, Klebeverbindungen mit einer realitätsnahen, d.h. durchgängigen und in sich geschlossenen Liniennaht zu untersuchen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Lösungsgemäß zeichnet sich eine Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung unter statischer und/oder zeitlich veränderlicher Belastung, mit wenigstens zwei Fügepartnern, die längs wenigstens eines gemeinsamen Kontaktbereiches über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind dadurch aus, dass die Fügeverbindung eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, linien- oder streifenhafte Form mit einer Längserstreckung aufweist, längs der die Fügeverbindung zumindest abschnittsweise gekrümmt verläuft, und dass wenigstens ein Fügepartner über eine dreidimensionale Raumform verfügt.

Die lösungsgemäße Probenanordnung vermag eine Fügeverbindung zwischen zwei Fügepartnern zu realisieren, deren statische und dynamische Festigkeitseigenschaften unabhängig oder weitgehend unabhängig von Randgeometrien der Fügepartner selbst untersucht werden können. In Abkehr zu bekannten, gattungsgemäßen Probenanordnungen weist hierzu die lösungsgemäß ausgebildete Probenanordnung eine wenigstens abschnittsweise gekrümmt verlaufende linien- oder streifenhaft ausgebildete Fügeverbindung auf, längs der die beiden Fügepartner eine Stoff-, Kraft- und/oder eine Formschlussverbindung miteinander eingehen. Beide Fügepartner gelangen hierbei über einen gemeinsamen Kontaktbereich in Berührung, dessen flächige Ausbildung mit dem linien- oder streifenförmig ausgebildeten Bereich der Fügeverbindung identisch sein kann oder diese flächig umgibt.

Den Kontaktbereich beider Fügepartner jeweils begrenzende Ränder oder Randlinien weisen hierzu in besonders vorteilhafter weise entweder geradlinig ausgebildete oder runde Konturformen auf, so dass Kraft- bzw. Belastungsmaxima an spitzwinkligen Konturformen, die ein hohes Schadenspotenzial aufweisen, vermieden werden. Durch eine vorzugsweise gekrümmt oder geradlinig ausgebildete Randkontur des Kontaktbereiches, über den beide Fügepartner miteinander in Berührung treten, ist die Möglichkeit einer Kraftumleitung bei Schädigungsbeginn oder Schädigungsfortschritt gegeben. Auch wird durch eine in ihrer Längserstreckung zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufende Fügeverbindung zwischen beiden Fügepartnern eine Überprüfungssituation geschaffen, bei der möglicherweise vorhandene Anfangs- bzw. Endbereiche der Fügeverbindung nicht im beanspruchten Probenbereich liegen, der typischerweise jenen Bereich umfasst, in dem sich die gekrümmte Ausbildung der Fügeverbindung befindet.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform der lösungsgemäßen Probenanordnung zur Festigkeitsprüfung einer Fügeverbindung zwischen zwei Fügepartnern ist die linien- oder streifenhaft ausgebildete Fügeverbindung in sich geschlossen, beispielsweise in Art einer Kreislinie, eines Kreisringes oder einer von einer Kreisform abweichenden Ringschlussform ausgebildet. Auch in diesem Falle ist der Kontaktbereich zwischen beiden Fügepartnem, sofern er nicht flächig identisch mit der Fügeverbindung selbst ist, formerhaltend um die Fügeverbindung ausgebildet, d.h. der Kontaktbereich weist gleichsam eine Kreisring- oder Ringschlussform auf, deren Randbereiche keinerlei Ecken oder andersartige spitzwinkelige Konturen aufweisen.

Zur Gewährleistung einer kontrollierten, statischen sowie auch dynamischen Kraftbzw. Lasteinwirkung auf die Probenanordnung ist wenigstens ein Fügepartner dreidimensional ausgebildet, über den ein gezielter statischer und/oder dynamischer Krafteintrag erfolgt, während der andere Fügepartner räumlich fixiert ist.

Vorzugsweise sind beide Fügepartner aus einem Flachmaterial gefertigt, wie z.B. aus einem Blechmaterial, wobei der räumlich ausgebildete Fügepartner, beispielsweise durch einen formgebenden Tiefzieh prozess eine einseitig offen ausgebildete Hohlform gleichsam in Art eines Napfes vorsieht, der zumindest teilweise von einem eben ausgebildeten Kragenabschnitt umgeben ist, der den flächigen Kontaktbereich zum anderen Fügepartner bestimmt, der im einfachsten Fall aus einem ebenen, flächig geformten Blech besteht.

Der napfförmig ausgebildete Fügepartner kann über beliebig ausgebildete Formen verfügen, so beispielsweise in Art eines runden, ovalförmigen, quaderförmigen, pyramidenstumpfförmigen, pyramidenförmigen, kegelstumpfförmigen oder kegelförmigen Napfes, der jeweils von einem an die jeweilige Querschnittsform angepassten Kragenabschnitt umgeben ist.

Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, dass der napfförmig ausgebildete Fügepartner aus einem einheitlichen Blechmaterial gefertigt ist, Gleichwohl bietet es sich in vorteilhafter weise an, innerhalb des napfförmig geformten Blechmaterials Aussparungen oder aber Materialverstärkungen in Form von Materialwandverdickungen oder durch Vorsehen weiterer, das Blechmaterial versteifende Komponenten vorzusehen, um eine wunschgemäße Eigensteifigkeitsanpassung des napfförmig ausgebildeten Fügepartners vornehmen zu können. Andererseits ermöglicht das Vorsehen geeignet positionierter Aussparungen innerhalb der Raumform des napfförmig ausgebildeten Fügepartners das Einbringen geeigneter Sensoren zur messtechnischen sowie auch visuellen Überwachung der Fügeverbindung während der Durchführung einer Festigkeitsprüfung.

Wie bereits erwähnt definiert der die Napfform konkavseitig peripher umgebende Kragenabschnitt, der eben und flächig ausgebildet ist, den Kontaktbereich zum anderen Fügepartner, sofern der andere Fügepartner als Flachblech ausgebildet ist. Nicht notwendigerweise ist es jedoch erforderlich, dass der Kragenabschnitt die Napfform vollständig, d.h. unterbrechungsfrei umgibt. Durchaus denkbar sind Probenanordnungen, bei denen der beispielsweise ringschlussförmig ausgebildete Kontaktbereich wenigstens abschnittsweise Unterbrechungen aufweist. Form und Größe derartiger Unterbrechungen können von den jeweiligen Anforderungen abhängen, nachdem in eine geeignete, lösungsgemäß ausgebildete Probenanordnung auszubilden ist.

Zur kontrollierten Krafteinleitung in die Probenanordnung zu Zwecken einer Festigkeitsüberprüfung wird der ansonsten ebenflächig ausgebildete Fügepartner lokal an seinem peripheren Randbereich zur räumlichen Fixierung eingespannt, wohingegen im Bodenbereich des dreidimensional napfförmig ausgebildeten Fügepartners eine zur Krafteinleitung angebrachte Materialverstärkung vorgesehen ist. Je nach Prüfbedingungen können über das im Bodenbereich des napfförmig ausgebildeten Fügepartners angebrachte Mittel statisch und dynamisch unterschiedlich stark gewählte und unter bestimmten Raumrichtungen auf die Probenanordnung einwirkende Kräfte bzw. Kraftmomente eingeleitet werden. Zusätzlich zur Beaufschlagung der Probenanordnung mit zeitlich konstanten oder variablen Kräften ist es möglich, gezielte Torsionsmomente auf die Probenanordnung wirken zu lassen.

Im Falle der Ausbildung des napfförmig ausgebildeten Fügepartners als geschlossene Halbform, wird im Wege einer ansonsten gasdichten Fügeverbindung zwischen beiden Fügepartnern ein fluiddichtes inneres Volumen eingeschlossen, das über eine entsprechende Zuleitung mit einem beliebig wählbaren Innendruck beaufschlagt werden kann, der neben den vorstehend beschriebenen Belastungsgrößen eine zusätzliche Belastungsvariante darstellt, die während der Festigkeitsprüfung der Fügeverbindung zwischen beiden Fügepartnern zusätzlich appliziert werden kann. Weitere, die lösungsgemäße Probenanordnung ausbildende Merkmale werden im Weiteren unter Bezugnahme auf die figürlich dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Prinzipskizze für eine lösungsgemäße Ausführungsform einer Probenanordnung,

Fig. 2 Darstellung bekannter Fügeverbindungen gemäß Stand der Technik,

Fig. 3 Längsschnittdarstellung durch eine lösungsgemäß ausgebildete

Ausführungsform einer Probenanordnung,

Fig. 4 Draufsichtdarstellung einer in Figur 3 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 5 alternative Längsschnittdarstellung zu einer lösungsgemäßen

Ausführungsform einer Probenanordnung, sowie

Fig. 6a, b alternative Ausführungsbeispiele für eine Probenanordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist ein stark schematisiert ausgebildetes Beispiel zur Illustration der lösungsgemäß ausgebildeten Probenanordnung gezeigt, das einen ersten Fügepartner 1 , der über eine dreidimensionale Raumform verfügt, und einen zweiten Fügepartner 2, der aus einem Flachmaterial gefertigt ist, vorsieht. Der über die Flächenebene des Fügepartners 2 dreidimensional erhaben ausgebildete Fügepartner 1 weist einen den Fügepartner 1 zumindest teilweise umgebenden Kragenabschnitt 3 auf, der gleichfalls wie der Fügepartner 2 eben und flächig ausgebildet ist. Beide Fügepartner 1 und 2 gelangen somit über den flächig ausgebildeten Kragenabschnitt 3 in gegenseitigen Flächenkontakt. Zur festen Verbindung beider Fügepartner 1, 2 ist im Kontaktbereich, d.h. im Bereich des Kragenabschnittes 3, eine linienhaft ausgebildete Fügeverbindung 4 vorgesehen, die über wenigstens einen gekrümmten Abschnitt 5 verfügt. Art und Weise der Fügeverbindung 4 ist beliebig zu wählen, so beispielsweise in Form eine Stoff-, Kraft- und/oder ein Formschlussverbindung. Als besonders geeignet erweisen sich hierbei kontinuierlich oder punktiert ausgebildete Kleb- oder Schweißnahtverbindungen. Gleichfalls ist es möglich, alternativ oder in Kombination mit den vorstehend genannten Fügeverbindungen eine Vielzahl längs der Linie 4 angeordnete Stanznietverbindungen vorzusehen. Im Falle der Ausbildung der Fügeverbindung 4 in Form einer Hybridverbindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise die Fügeverbindung als Punktschweißklebeverbindung oder als Stanznietklebeverbindung auszuführen.

Beide Fügepartner 1 , 2 werden in bevorzugter Weise aus einem Flachmaterial, beispielsweise aus einem Blech gefertigt, wobei der Fügepartner 1 zur Ausbildung der dreidimensionalen Raumform bevorzugt im Wege eines Formverfahrens, wie beispielsweise Tiefziehverfahrens hergestellt werden kann. Die in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 innenliegende Randkontur 6 des Kragenabschnittes 3 weist gleichfalls wie der Verlauf der Fügeverbindung 4 eine Krümmung 6* auf, zumal der Krafteintrag bei der Durchführung einer Festigkeitsprüfung über den räumlich ausgebildeten Fügepartner 1 erfolgt, wie dies im einzelnen noch unter Bezugnahme auf die weiteren Ausführungsbeispiele erläutert wird. So sei angenommen, dass während einer Festigkeitsprüfung der flächig ausgebildete Fügepartner 2 fest in einem Fixierrahmen befestigt ist, wohingegen am Fügepartner 1 entsprechende statische oder dynamische Kräfte oder Kraftmomente einwirken. Um zu vermeiden, dass sich im Kontaktbereich längs des Kragenabschnittes 3 belastungsbedingte Rissbildungen von Seiten des Randbereiches 6 ausbilden, wodurch die ausschließlich auf die Festigkeitseigenschaften der Fügeverbindung 4 gerichteten Festigkeitsüberprüfungen verfälscht würden, gilt es jegliche nicht von der Fügeverbindung ausgehende Schadstellen zu vermeiden, so insbesondere eckige oder scharfkantige Randkonturen innerhalb des Kontaktbereiches. Durch die ausschließlich geradlinig oder gekrümmt ausgebildete Übergangskontur 6 zwischen dem Fügepartner 1 und dem Kontaktbereich 3, längs dem die zu Zwecken der Festigkeitsuntersuchung vorhandene Fügeverbindung vorgesehen ist, ist für eine gleichmäßige und stetige Kraftumleitung in den Flächenbereich der Fügeverbindung 4 gesorgt.

In Figur 3 ist eine Längsschnittdarstellung durch eine besonders bevorzugt ausgebildete Probenanordnung gezeigt. Der über eine dreidimensionale Raumform verfügende Fügepartner 1 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 in Form eines Napfes mit einer oval ausgebildeten Napfform ausgestaltet, deren Draufsicht in Figur 4 gezeigt ist. Der Fügepartner 2 hingegen ist gleichsam dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 aus einem eben und flächig ausgebildeten Blechmaterial gefertigt, das beidseitig an seinem Randbereich über Klemmmittel 7 an ein festes Gegenlager fixiert ist. Es sei ferner angenommen, dass beide Fügepartner 1, 2 über den die Napfform des Fügepartners 1 vollständig umlaufenden Kragenabschnittes 3 iM Wege einer ringförmig oval deformierten Flächenfügeverbindung miteinander verbunden sind, beispielsweise im Wege einer Kleb- oder Schweißverbindung 4. In diesem Fall sind der Kontaktbereich 3 zwischen beiden Fügepartnern 1 und 2 sowie die flächige Ausdehnung der Fügeverbindung 4 identisch.

Zu Zwecken einer kontrollierten Beeinflussung der Materialsteifigkeit des Fügepartners 1 als auch für eine kontrollierte Krafteinleitung F ist im Bodenbereich des Fügepartners 1 ein Mittel 8 vorgesehen, das in Form einer getrennt vom Fügepartner 1 ausgebildeten Bauform ausgebildet ist und mittels geeigneter Fügetechnik am Fügepartner 1 angebracht ist, oder in Form einer Materialverdickung des in der Regel aus Blechmaterial bestehenden Fügepartners 1 ausgebildet ist. In gleicher Weise kann zu Zwecken einer Variation des Steifigkeit des Fügepartners 2 im flächigen Mittenbereich ein entsprechend verstärkendes Mittel 8' vorgesehen werden.

Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, dass beide Fügepartner 1 , 2 ein inneres, gasdicht geschlossenes Volumen einschließen. Insbesondere zu Zwecken einer verbesserten Überwachung der Fügeverbindung während der Durchführung der Festigkeitsprüfung ist es vorteilhaft, innerhalb der Wandbereiche des Fügepartners 1 entsprechende Ausnehmungen vorzusehen, durch die visuelle oder auch andersartige Messsensoren möglichst nahe an den Bereich der Fügeverbindung platziert werden können. Im Falle der Ausgestaltung beider Fügepartner 1 , 2 mit einem gasdichten Volumeneinschluss V ist es überdies möglich, den Innendruck P innerhalb des eingeschlossenen Volumens V kontrolliert zu variieren, um auf diese Weise einen weiteren belastenden Einfluss auf die Fügeverbindung 4 zu nehmen. Hierzu ist ein gasdichter Anschluss an das Volumen V zur Innendruckregelung erforderlich, der zeichnerisch nicht weiter dargestellt ist.

In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform, insbesondere zur alternativen Ausbildung des Fügepartners 2 gezeigt, die gleichfalls der Figur 3 eine Längsschnittdarstellung durch die Probenanordnung zeigt. Im Randbereich außerhalb des Kontaktbereiches 3 ist zur Erhöhung der Flächensteifigkeit des flächig eben ausgebildeten Fügepartners 2 eine umlaufende Sicke 9 vorgesehen. Eine derartige Maßnahme kann zur Erhöhung der Flächensteifigkeit auch in anderen Bereichen des Fügepartners 2 als auch innerhalb des Fügepartners 1 eingebracht werden. Ferner ist eine alternative Variante zur Erhöhung der Flächensteifigkeit des Fügepartners 2 vorgesehen, bei dem ein die Flächensteifigkeit erhöhendes Mittel 8' im Wege wenigstens zweier Schraubverbindungen 10 mit dem Fügepartner 2 verbunden ist.

Schließlich sind in den Figuren 6a und b zwei weitere alternative Ausführungsbeispiele für die Ausbildung einer lösungsgemäßen Probenanordnung gezeigt, bei denen beide Fügepartner 1 , 2 napfförmig ausgebildet sind und jeweils einen umlaufenden Kragenabschnitt 3, 3' vorsehen. Im Fallbeispiel gemäß Figur 6a schließen beide napfförmig ausgebildete Fügepartner 1 , 2 ein innenliegendes Volumen ein, indem sich die Kragenabschnitte beider Fügepartner in einer Konstellation berühren, in der sich die Konkavseiten beider Fügepartner gegenüberstehen. Im Unterschied dazu mündet der gegenüber dem Fügepartner 1 etwas kleiner ausgebildete, napfförmig ausgebildete Fügepartner 2 mit seiner Konvexseite in die Konkavform des Fügepartners 1 ein. Auch in diesem Beispiel sind beide Fügepartner über ihren jeweiligen Kragenabschnitt mittels einer Fügeverbindung fest verbunden.

Die lösungsgemäße Probenanordnung weist in zusammengefasster Form folgende Vorteile auf:

- Realitätsnahe Gestaltung der Steifigkeit der Fügepartner möglich,

- Krafteinleitung in beliebigen Winkeln möglich, dadurch Realisierung verschiedener auch kombinierter Beanspruchungen möglich so auch in Kombination mit einer Variation des Innendruckes bei einem von beiden Fügepartnern eingeschlossenen Volumens

- Optionale ovalförmige Napfform ermöglicht realitätsnahe ungleichförmige Beanspruchung im Bereich der Fügeverbindung, so dass außerdem eine Lokalisierung eines möglichen Schädigungsbeginns vor Versuchsbeginn möglich ist. Demgegenüber ist gleichsam auch eine Realisierung einer gleichförmigen Beanspruchung mit Hilfe einer kreisrunden Napfform möglich.

- Realisierung einer schadenskritischen, realitätsnahen Blech- Flanschverbindung unter Berücksichtung von Abstützeffekten und Kraftumlagerungen bei Schädigungsbeginn bzw. Schädigungsfortschritt

- Ermöglichung einer Schadensdetektierung sowie auch Schadensüberwachung mit verschiedenen Messmethoden, wie beispielsweise mit Hilfe aktiver Wärmeflussthermographie oder visueller Betrachtung aufgrund einer einzigen für die Messsensorik zugänglichen Fügeebene Mit der lösungsgemäßen Probenanordnung ist eine zusammenhängende, geschlossene Fügeverbindung realisierbar, wodurch realitätsnahe Fertigungen von Nahtverbindungen, vorzugsweise von Klebe- oder Schweißnahtverbindungen untersucht werden können.

In besonders vorteilhafter weise eignen sich die lösungsgemäß ausgebildeten Probenanordnungen für den Einsatz in Schwingungsfestigkeitsversuchen, Betriebsfestigkeitsversuchen, Zugfestigkeitsversuchen, Qualitätssicherungen sowie Standfestig keitsversuchen .

Bezugszeichenliste

Fügepartner Fügepartner Kontaktbereich Fügeverbindung gekrümmter Bereich der Fügeverbindung Randkontur ' gekrümmte Randkontur seitliches Befestigungsmittel Mittel zur Erhöhung der Festigkeit des Fügepartners 1 ' Mittel zur Erhöhung der Festigkeit des Fügepartners 2 S icke 0 Schraubverbindungen

Claims

Patentansprüche

1. Probenanordnung zur Prüfung einer Fügeverbindung unter statischer und/oder zeitlich veränderlicher Belastung, mit wenigstens zwei Fügepartnern, die längs wenigstens eines gemeinsamen Kontaktbereiches über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, linien- oder streifenhafte Form mit einer Längserstreckung aufweist, längs der die Fügeverbindung zumindest abschnittweise gekrümmt verläuft, und dass wenigstens ein Fügepartner über eine dreidimensionale Raumform verfügt.

2. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung diskontinuierlich ausgebildet ist und mehrere punktförmige Verbindungsbereiche aufweist.

3. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung diskontinuierlich ausgebildet ist und mehrere linienförmige Verbindungsbereiche aufweist.

4. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung diskontinuierlich ausgebildet ist und mehrere streifenförmige Verbindungsbereiche aufweist.

5. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung kontinuierlich ausgebildet ist, in Richtung ihrer Längserstreckung einen Anfang und ein Ende und mindestens einen linienförmigen Verbindungsbereich aufweist.

6. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung kontinuierlich ausgebildet ist, in Richtung ihrer Längserstreckung einen Anfang und ein Ende und mindestens einen streifenförmigen Verbindungsbereich aufweist.

7. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung kontinuierlich ausgebildet ist, eine in Richtung ihrer Längserstreckung geschlossene Kontur und mindestens einen linienförmigen Verbindungsbereich aufweist.

8. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung kontinuierlich ausgebildet ist, eine in Richtung ihrer Längserstreckung geschlossene Kontur und mindestens einen streifenförmigen Verbindungsbereich aufweist.

9. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung einer Kombination der in den Ansprüchen 1-8 beschriebenen Ausprägungen der Fügeverbindung entspricht.

10. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, die Fügeverbindung eine Stoff-, Kraft- und/oder eine Formschlussverbindung ist.

11. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung in Form einer kontinuierlichen oder punktierten Kleb- oder Schweißnahtverbindung ausgebildet ist.

12. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung eine Vielzahl längs einer Linie angeordneter Stanznietverbindungen aufweist.

13. Probenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung eine Hybridverbindung darstellt, vorzugsweise in Form einer Punktschweißklebeverbindung und/oder einer Stanznietklebeverbindung.

14. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich und die Fügeverbindung in einer Ebene verlaufen.

15. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich und die Fügeverbindung in ihrer räumlichen Ausbildung identisch sind oder dass der Kontaktbereich die Fügeverbindung zumindest abschnittsweise überlappt.

16. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die linien- oder streifenhaft ausgebildete Fügeverbindung eine in sich geschlossene Form aufweist in Art eines Kreises, eines Kreisringes oder einer von einer Kreisform abweichenden Ringschlussform.

17. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner jeweils aus Flachmaterial bestehen, und dass wenigstens ein Fügepartner eine aus dem Flachmaterial gefertigte dreidimensionale Raumform besitzt.

18. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial Blech ist.

19. Probenanordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Raumform des wenigstens einen Fügepartners in Art eines Napfes mit einem die Napfform zumindest teilweise umgebenden Kragenabschnitt ausgebildet ist, der eben und flächig ausgebildet ist, und dass der wenigstens eine Fügepartner über seinen Kragenabschnitt mit dem anderen Fügepartner in flächigem Kontakt steht.

20. Probenanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der eben und flächig ausgebildete Kragenabschnitt eine kreisrunde, ovale oder vieleckig ausgebildete Ringform oder eine Kombination daraus aufweist.

21. Probenanordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der napfförmige Fügepartner mit dem anderen Fügepartner ein Volumen einschließt.

22. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einem konvexen Oberflächenbereich des napfförmigen Fügepartners ein die Steifigkeit des Flachmaterials erhöhendes Mittel vorgesehen ist.

23. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Fügepartner als ebenes Flachblech ausgebildet ist, an dessen Oberfläche der Kragenabschnitt des einen Fügepartners aufliegt, und dass beide Fügepartner im Bereich des Kragenabschnittes über die Fügeverbindung miteinander verbunden sind.

24. Probenanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der als ebenes Flachblech ausgebildete andere Fügepartner in einem Flächenbereich, der einseitig vom napfförmigen Fügepartner überragt wird, ein die Steifigkeit des Flachmaterials erhöhendes Mittel vorsieht.

25. Probenanordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der als ebenes Flachblech ausgebildete andere Fügepartner einen umlaufenden Rand vorsieht, an dem zumindest abschnittweise Mittel zum Einspannen des Randes vorgesehen sind.

26. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fügepartner zur Erhöhung der Steifigkeit des Flachmaterials eine Sicke vorsieht.

27. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 22 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fügepartner eine napfförmig ausgebildete dreidimensionale Raumform aufweisen mit jeweils einem umlaufenden Kragenabschnitt, dass beide Fügepartner längs ihrer Kragenabschnitte miteinander derart im Wege der Fügeverbindung verbunden sind, dass entweder jeweils ihre Konkavseiten einander zugewandt ein gemeinsames Volumen einschließen, oder die Konvexseite eines Fügepartners in die Konkavseite des anderen Fügepartners einmündet.

28. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fügepartner wenigstens eine Ausnehmung im Flachmaterial vorsieht, die zur visuellen und/oder messtechnischen Kontrolle der Fügeverbindung dient.

29. Probenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Fügeverbindung mindestens eine zusätzliche punktförmige Verbindungsstelle zwischen den Fügepartnern vorgesehen ist.