Fügetechnik (Fach) / Widerstandsschweißen (Lektion)

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  • Widerstandsschweißen – Definition Widerstandserwärmung Umwandlung von elektrischer Energie in ohmschen Widerständen in Wärmeenergie (joulsche Wärme, joulsches Gesetz). Bei indirekter Widerstandserwärmung durchfließt der Strom Heizleiter, die fast immer in einen Isolierstoff, der die Wärme aufnimmt und weitergibt, eingebettet sind (Bügeleisen, elektrische Speicheröfen). Bei direkter Widerstanderwärmung wird das zu erwärmende Material unmittelbar vom elektrischen Strom durchflossen, muss also elektrisch leitend sein (z.B. zum Glühen und Entspannen von Profilmaterial oder zum Widerstandsschweißen).
  • Widerstandsschweißen – Verfahrensprinzip Widerstandspunktschweißen FIgure 1 Grundwerkstoff Schweißenergiequelle Elektrodenhalter Wasserkühlung Elektrodenkappe Anpresskraft Schweißlinse ein Verfahren, mit dem 2 dünne Bleche mittels eines Schweißpunktes, der aus aufgeschmolzenem und erstarrtem Material beider Bleche entsteht, verschweißt werden Zwei gekühlte ballige Elektroden drücken auf die Bleche, es entsteht ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den Blechen Bedingt durch die Form der Elektroden liegt der Bereich höchster Flächenpressungzwischen Blechen in der Achse der Elektroden In diesem Bereich ist der Kontaktwiderstand zwischen den Blechen am kleinsten, der Schweißstrom, der aus einer Schweißenergiequelle stammt, fließt daher bevorzugt an dieser Stelle durch die Bleche Der spätere Strompfad wird also durch den Elektrodendruck definiert Im Vergleich zu Lichtbogenschweißungen ist der elektrische Widerstand zu den Elektroden gering, die zum Treiben des Schweißstromes notwendige Spannung liegt im Bereich weniger Volt Um dennoch ausreichende Leistungen umsetzen zu können, liegen die Schweißströme im Bereich mehrerer kA
  • Widerstandsschweißen – Widerstandsbuckelschweißen Grundwerkstoff Schweißenergiequelle Schweißelektrode Anpresskraft Schweißbuckel Schweißlinse eine Variante des Punktschweißens, die gerne für etwas dickere Bleche genutztwird. Bei diesen ist die Definition des Strompfades über den Elektrodendruck aufgrund der höheren Steifigkeit nur schwierig zu realisieren. Stattdessen geschieht beim Buckelschweißen die Definition des Strompfades über die Geometrie der Einzelteile Durch sogenannte Schweißbuckel, also mehr oder weniger punktförmigen Erhöhungen auf einem der Bleche wird ein Stromübergangspunkt definiert, an dem beim Einschalten des Schweißstromes der Prozess zur Bildung der Schweißlinse einsetzt. Dabei wird der Schweißbuckel durch die Wärme weich und kollabiert unter der Anpresskraft. Um nicht den Kontakt zur Werkstückoberfläche zu verlieren, müssen die Elektroden schnell nachgesetzt werden. Der weitere Verlauf der Schweißung ist mit dem Punktschweißen vergleichbar.
  • Widerstandsschweißen – Widerstandsverhältnisse beim Punktschweißen Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden entsteht aus der Reihenschaltung einer Reihe von unterschiedlichen Einzelwiderständen entlang des Strompfades Dabei sind die Stoffwiderstande im Vergleich zu den Kontakt bzw. Übergangswiderständen vergleichsweise klein. Die Höhe der Kontakt bzw. Übergangswiderstände hängt zum einen von der Materialpaarung als auch vom Anpressdruck ab. Je höher der Anpressdruck ist, umso niedriger ist der Kontakt bzw. Übergangswiderstand Materialpaarungen mit Kupfer weisen geringere Kontakt bzw. Übergangswiderständen als zwischen den Blechwerkstoffen selber auf..
  • Widerstandsschweißen – Grundlagen Schmelzvolum, Q (Wärmemenge) und Pel berechnen Schmelzevolumen ~ WärmemengeQ= Pel * t Q=I2*R*t mit :Pel = U*IR=U/IU=I*RPel=I2*R =====> Q=∫ (t=ts, t=0) I2(t) * R(t) dt
  • Widerstandsschweißen – Widerstandsverhältnisse über der Schweißzeit Die Widerstände zwischen den Punktschweißelektroden sind auch schweißzeitabhängig. Die Kontaktwiderstände reduzieren sich über die Schweißzeit, da sich Unebenheiten auf den Kontaktflächen mit steigender Temperatur einebnen bzw. mit der entstehenden Schweißlinse ganz zusammenbrechen. Stahl hat, wie die meisten Metalle, Kaltleitereigenschaften, leitet also bei höheren Temperaturen den Strom schlechter als bei niedrigeren Temperaturen. D.h. bei höheren Temperaturen steigt ihr spezifischer Widerstand. (Aufgrund der Kaltleitereigenschaften des Stahles bleibt jedoch die entstehende Schweißlinse trotz wegfallendem Kontaktwiderstand die Stelle höchsten Widerstandes) In der Folge steigen mit der Temperatur auch die Stoffwiderstände. In Summe bleibt die Stelle höchster Wärmeentwicklung in etwa dort, wo der Prozess aufgrund des Kontaktwiderstandes begonnen hat.
  • Widerstandsschweißen – Zeitlicher Verlauf einer Widerstandspunktschweißung Figure 3 Ablauf einer Widerstandspunktschweißung:1 → 2 Absenken der Oberelektrode2 → 3 Aufbringen der eingestellten Elektrodenkraft.Ablauf der eingestellten Vorhaltezeit tv.Sinn: Setzen der Elektroden ermöglichen, Beruhigen des Systems3 → 4 Hinzuschalten des eingestellten Schweißstromesfür die Dauer der Schweißzeit ts.Bildung einer Schweißlinse in der Fügeebene der beiden Werkstücke.Sinn: Erzeugung der Schweißlinse(Die stärkere Wärmeabfuhr in Richtung der wassergekühlten Elektroden sorgt dafür, dass sich die Schweißlinse, die sich eigentlich kugelförmig entwickeln müsste, ihre typische Linsenform entwickelt. Bevor sie eine Größe erreicht, die zum Durchbrechen der Blechoberfläche führt, wird der Schweißstrom abgeschaltet und die Schweißlinse erstarrt) 4 → 5 Aufrechterhalten der Elektrodenkraft für die Dauer der eingestellten Nachhaltezeit tN.Sinn: Erstarren der Schweißlinse 5 → 6 Abschalten des Krafterzeugungssystems und Abheben der Elektroden vom Werkstück
  • Widerstandsschweißen – Wärmebilanz beim Punktschweißen Figure 4 Die zugeführte Wärmemenge QZu entsteht durch Widerstandserwärmung in einem stromdurchflossenen Leiter. Zur Bildung der Schweißlinse trägt allerdings nur die Wirkwärmemenge QW bei. Sie setzt sich zusammen aus der zugeführten Wärmemenge abzüglich der Verlustwärme. Die Verlustwärme entsteht durch Wärmeableitung in die Elektroden und Bleche, sowie durch Wärmestrahlung. Der bei der Widerstandserwärmung wirkende Widerstand setzt sich aus den Kontaktwiderständen an den beiden Blechen und ihrem Stoffwiderstand zusammen. Eine Verringerung der Elektrodenkraft auf 90% erhöht die zugeführte Wärme um 105% eine Verringerung des Schweißstromes auf 90% verringert die Wärme auf 80%  die Verringerung der Schweißzeit auf 90% verringert die Wärme auf 92%. Also zusammengefasst: Die Verluste können in etwa linear angenommen werden.Auf den Prozess kann Einfluss genommen werden über: Die Schweißzeit: Verändert in etwa linear die Wirkleistung und damit die Linsengröße Den Schweißstrom: Verändert in etwa quadratisch die Linsengröße Die Elektrodenkraft: Verringern der Kraft erhöht den Kontaktwiderstand=> Erhöht den Linsendurchmesser Den Veränderungen sind Grenzen gesetzt: Nach unten durch die Klebegrenze (entspricht einem Bindefehler), der Punkt bindet nicht an, sondern klebt nur Nach oben durch die Spritzergrenze, die Linse wird so groß, dass sie die Oberfläche oder den seitlichen Einflussbereich des Druckkegels der Elektroden durchbricht, die Folge sind Schweißspritzer.
  • Widerstandsschweißen – Elektrodenkühlung beim Punktschweißen und Temperaturverteilung in Elektroden und Blechen Figure 5 Kühlmedium ist in der Regel Wasser Das Kühlwasser wird bis an den Grund der Elektrode durch Kühlröhrchen zugeführt Die Maximaltemperatur wird dabei in der Mitte der Schweißlinse erreicht und nimmt in Richtung der Elektroden sehr stark ab.
  • Widerstandsschweißen – Kraft- und Stromverläufe Figure 6 Je nach Schweißaufgabe können an den Schweißanlagen verschiedene Kraft- und Stromprogramme eingestellt werden Im oberen Teil ist einfachste mögliche Verlauf eines Schweißprogramms dargestellt. Aufbringen der Elektrodenkraft, Ablauf der Vorhaltezeit tv, Einschalten des Schweißstroms und Ablauf der Schweißzeit ts, Ablauf der Nachhaltezeit tN und Abschalten des Krafterzeugungssystems Das mittlere Diagramm ist mit dem gerade beschriebenen nahezu identisch. Lediglich im Bereich des Schweißstromes wird mit einem einstellbaren Stromanstieg (7) und Stromabfall (8) geschweißt. Das untere Diagramm stellt ein aufwendigeres Stromprogramm dar. Zusätzlich wird hiernoch mit einer veränderlichen Elektrodenkraft (2) und mit einem Vorwärm- (4) bzw. Nachwärmstrom (6) geschweißt. Je nach Steuerung kann auch, falls eine derartige Regeleinrichtung vorliegt, regelnd in den Prozess eingegriffen werden. Als Regelgröße kann z.B. der Elektrodenweg, der Widerstandsverlauf, der Schweißstrom oder die Schweißspannung verwendet werden.
  • Widerstandsschweißen – Schematischer Aufbau einer Punktschweißmaschine 1 Elektrodenkraftzylinder2 Druckluftwartungseinheit3 Maschinengestell4 Schweißtransformator5 Steuerung mit Leistungsteil6 Stromschiene7 Unterarmhalter8 Fußschalter9 Oberarmhalter10 Stromband11 Elektrodenhalter mit Wasserkühlung12 Elektrode
  • Auswahl der Schweißzangen Bei der Auswahl ist darauf zu achten, eine möglichst große Steifigkeit bei gleichzeitig möglichst kleinem Induktionsfenster bei gleichzeitiger Erreichbarkeit der Schweißpunkte am Bauteil zu kombinieren.
  • Widerstandsschweißen – Anwendungskriterien für das Widerstandsspunktschweißen dort wo punktförmige Verbindungen ausreichen und die Blechstärken klein genug sind, um einen Strompfad durch Druck definieren zu können. Beispiele:Verarbeitung dünner Bleche- Karosseriebau- Weiße Ware
  • Widerstandsschweißen – Anwendungskriterien für das Buckelschweißen dort wo punktförmige Verbindungen ausreichen die Blechstärken für Widerstandspunktschweißen zu groß sind. mehrere Schweißpunkte gleichzeitig erstellt werden sollen natürliche Buckel genutzt werden können. Beispiele:- Geschweißte Gitter- Schweißmuttern- Griffe an Kochtöpfe
  • Widerstandsschweißen – Gebräuchliche Buckelarten Geprägte Buckel Massivbuckel Natürliche Buckel
  • Widerstandsschweißen – Konstruktionsregeln Figure 8 and 9 Bei der Konstruktion für das Widerstandspunktschweißen ist darauf zu achten, dass die Schweißstelle von beiden Seiten zu erreichen ist. Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Elektroden auf ebenen Flächen senkrecht zu Oberfläche aufgesetzt werden können, um Querkräfte zu vermeiden. Diese würden auf der einen Seite die Schweißwerkzeuge stärker als nötig beanspruchen, können aber auf der anderen Seite auch dazu führen, das sich die Bauteile gegeneinander verschieben.
  • Widerstandsschweißen – Nebenschluss beim Punktschweißen Systematischer Nebenschluss Zufälliger Nebenschluss fließt ein Teil des eingeleiteten Schweißstromes nicht durch die Schweißstelle sondern sucht sich einen anderen Weg. Die Ströme teilen sich dabei entsprechend den Widerstandsverhältnissen auf. Nebenschluss kann zufällig durch ungewollten Kontakt der Elektroden mit dem Bauteil auftreten, in diesem Fall wird ein vorher nicht näher bestimmbarer Anteil des Schweißstromes an der Schweißstelle vorbei geleitet. Seine Energie fehlt dann zur Erzeugung des Schweißpunktes, zu kleine Schweißpunkteoder Klebverbindungen sind die Folge. In beiden Fällen ist es möglich, den Schweißstrom so weit zu erhöhen, dass der Verlust durch den systematischen Nebenschluss kompensiert werden kann
  • Widerstandsschweißen – Arbeitsschutz Spritzer Verbrennungen Augenschäden - Schutzbrillen - Schweißerschutzanzug, Lederschürze, Gamaschen Elektromagnetische Strahlung Unter Umständen Beinflussung von Herzschrittmachern und ähnlichem Beachtung BGV B11 (Unfallverhütungsvorschrift elektromagnetische Felder) und BGI B5011 (Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißmaschinen) Quetschen/Klemmen Räumliche Trennung von Menschn und Schweißanlage Zweihandschaltung für Maschinen, bei denen zwischen die die Elektrodengegriffen werden kann
  • Widerstandsschweißen – Varianten des Punktschweißens (beidseitige Zugänglichkeit) Es ist jedoch auch möglich, mehr als zwei Bleche miteinander zu verbinden. Nach dem Zusammenbrechen der Kontaktwiderstände wachsen die entstehenden Schweißlinsen jedoch zusammen und bildet die Schweißlinse (bei gleicher Wärmeabfuhr in die Elektroden) mittig zwischen den Elektroden und verbindet die Bleche mit einer gemeinsamen Schweißlinse. Bei asymmetrischer Blechdickenverteilung ist es möglich, die Schweißlinse auch außerhalb der gemeinsamen Blechmitte zu positionieren, indem die Elektroden unterschiedlich stark gekühlt werden. Im sogenannten Push-Pull Verfahren ist es möglich, zwei Punkte gleichzeitig zu setzen. Um die dabei notwendige doppelte Schweißspannung zu erzeugen, werden zwei Stromquellen so an den Elektroden verschaltet, dass sie den Strom “im Kreis“ treiben.
  • Widerstandsschweißen – Varianten des Punktschweißens (einseitiges Schweißen) Insbesondere bei sehr großen flächigen Bauteilen, wie z.B. den Bodengruppen von PKW,stößt das herkömmliche beidseitige Punktschweißen an seine Grenzen. Grund:- die mechanische Steifigkeit der Schweißmaschine, ie dann irgendwann nicht mehr handhabbar sind- immer größer werdenden Induktionsfenster der Schweißgeräte beidseitige Zugänglichkeit für die Elektroden nicht erforderlich. Notwendig ist jedoch eine Unterlage, welche in der Lage ist, die Schweißkräfte aufzunehmen Der Strompfad wird durch eine herkömmliche ballige Elektrode definiert, die auf die zu verbindenden Bleche drückt und über die der Strom in das Oberblech eingeleitet wird. Problematisch bei dieser Anordnung sind der lange Weg des Schweißstroms im Unterblech sowie der wenig definierte Strompfad, so dass der Strompfad sich aufgrund seines Widerstandes vergleichsweise stark erwärmt Die Schweißpunkte entstehen in Gruppen, ihre Anzahl ist ausschließlich durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Stromquellen begrenzt.
  • Widerstandsschweißen – Vergleich Widerstandspunkt- und Buckelschweißen Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Verfahren liegt in der Definition der Stromübergangsstelle. Leichtes Kippen der Elektroden aus der Achse, wie sie aufgrund der begrenzten Steifigkeit der kraftaufbringenden Systeme passieren kann, führt beim Punktschweißen im schlimmsten Fall zu einer kleinen in Blechrichtung liegenden Kraftkomponente, die aber in der Regel von der Reibung der Blechoberflächen kompensiert wird. Beim (Viel)-Buckelschweißen ergeben sich bei einem Kippen der Elektroden aufgrund der flächigen Krafteinleitung zu einer ungleichmäßigen Flächenpressung an den einzelnen Buckeln. Dieses führt wiederum zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung und damit zu ungleich großen Schweißpunkten.
  • Widerstandsschweißen – Probleme des Buckelschweißens: Kraftverteilung Unter Krafteinwirkung biegen sich die Rahmen der Pressen etwas auf, was zum Klaffen der Elektrodenplatten führt (H-Rahmen Pressen sind diesbezüglich etwas unempfindlicher). Ein ungleichmäßiger Kraftaufbau ist das Resultat. Ort mit weniger Flächenpressung entsteht größere Schweißpunkte. Mangelnde Ausrichtung der Elektrodenoberflächen führt zum gleichen Ergebnis. Dieses muss durch sorgfältiges Ausrichten der Elektrodenoberflächen unter Schweißdruck kompensiert werden. Zu Kontroller : Der Praktiker legt zwei Papiere mit zwischengelegtem Kohlepapier zwischen die Elektroden
  • Widerstandsschweißen – Probleme des Buckelschweißens: Stromverteilung Stromverteilung bei Wechselstrom Die Stromstärke nimmt infolge der Stromverdrängung nach außen hin zu. ↑ Stromverteilung bei Gleichstrom Die Stromstärke nimmt infolge der längeren Stromwege nach außen hin ab. ↓ Durch unterschiedliche Strompfade bei der Verwendung von Gleichstrom und einer Stromverdrängung bei Wechselstrom werden ohne Gegenmaßnahme Schweißlinsen unterschiedlicher Qualität erzeugt. Bei Verwendung von Gleichstrom liegt dieses an den unterschiedlich langen Stromwegen und damit unterschiedlichen Widerständen, die sich bei großen Schweißwerkzeugen ergeben können. Dem Problem kann durch möglichst großzugig dimensionierte und symmetrisch angebrachte Stromzuführungen begegnet werden, die selbst einem möglichst kleinen Widerstand aufweisen. Beim Wechselstromschweißen wird der Schweißstrom zum Äußeren des Werkzeuges verdrängt (Skin-effekt), dort würden also größere Schweißlinsen entstehen. Der Effekt ist frequenzabhängig, er hat in der Praxis bei 50 Hz- Technologie wenig Bedeutung. Abhilfe wäre das Umstellen auf Gleichstromschweißen.
  • Widerstandsschweißen – Rollennahtschweißen Figure 13 Grundwerkstoff Schweißenergiequelle Elektrorad Achse Schweißlinse / Naht Vorschubrichtung Anpresskraft Das Rollennahtschweißen sind die Elektroden als angetriebene Rollen ausgeführt. Dieses ermöglicht es, die Bleche (kontinuierlich oder intermittierend) unter vollem Anpressdruck zwischen den Elektrodenrädern durch zu bewegen. Die Verbindung entsteht durch Widerstandserwärmung.
  • Vergleich des Verfahrens des Widerstandspunktschweißens Punktschweißen Werkstücke überlappt stiftförmige Elektroden linsenförmige Verbindung Rollennahtschweißen Werkstücke meist überlappt rollenförmige, angetriebene Elektroden, Punktreihen (Dichtnähte, Rollpunkte) Buckelschweißen Werkstückerhebungen Stromkonzentration) Werkstück überlappt großflächige Elektroden mehrere Verbindungen in einem Arbeitsgang linsenförmige Verbindung
  • Nahtformen beim Rollennahtschweißen Figure 18 In der dem Punktschweißen ähnlichsten Form läuft der Rollenvorschub intermittierend. Bei jedem Halt der Rollen wird ein Stromprogramm ausgelöst, ein Schweißpunkt entsteht. Dabei sind ähnliche Qualitäten erreichbar wie beim Punktschweißen auch. Auch bei kontinuierlichem Vorschub und intermittierendem Stromverlauf entstehen diskrete Schweißpunkte, die abhängig von Impulsfrequenz und Vorschubbewegung auch überlappen können, was die Herstellung von Dichtnähten erlaubt. Dadurch sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich. Allerdings erstarren die Schweißpunkte außerhalb des Druckeinflusses der Elektrodenräder, was die mögliche Qualität herabsetzt. Dauerstrom ermöglicht noch höhere Schweißgeschwindigkeiten bei weiteren Qualitätseinschränkungen.
  • Widerstandsschweißen – Punktschweißkleben Punktschweißen+ Sofortige Festigkeit+ Berechenbarkeit der Verbindung+ Hohe Wirtschaftlichkeit- Spaltkorrosion- Hohe Kerbwirkung- Begrenzte Schwingfestigkeiten- Empfindlich auf Kopfzug Kleben+ Dichtigkeit+ Gutes Dämpfungsverhalten+ Gute Schwingfestigkeit- Geringe Schälfestigkeit- Lange Aushärtungszeiten- Kriechen Punktschweißkleben+ Sofortige Handhabungsfestigkeit+ Berechenbarkeit der Verbindung+ Dicht+ Gutes Dämpfungsverhalten+ gute Schwingfestigkeit+ Bessere Kopfzug- und Schälbeanspruchbarkeit
  • Stromformen- und Quellen beim Widerstandsschweißen Die bautechnisch einfachste und preiswerteste Stromform ist der Wechselstrom, bei der die Nachteile der Stromnulldurchgänge und der Linsenabkühlung auftreten. Im Verhältnis zum mittleren Stromwert treten hohe Stromspitzen und damit erhöhter Verschleiß der Elektroden auf. Beim Gleichstrom treten diese extremen Stromspitzen nicht auf. Die Bauweise einer Gleichstromversorgung ist aber aufwändiger und damit teurer als eine Wechselstromversorgung
  • Kleben- Basisfunktionen des Fügeverfahrens Lage bestimmen:Geklebte Fassadenelemente bieten optische und mechanische Vorteile. Die gesetzlichenBestimmungen in Deutschland schreiben allerdings vor, ab einer Höhe von 8m zusätzlich einmechanisches Fügeverfahren anzuwenden, da so der Streuwinkel im Brandfall eingegrenztwird.Lage bestimmen und Kräfte übertragen:Der anisotrope Werkstoff Holz ist i.a. gut klebgeeignet. Bei einer Verschraubung von Holz werden die Fasern dagegen geschwächt und die Belastbarkeit der Konstruktion somit herabgesetzt.Dichtung:Die Handhabung biegeweicher Teile, wie z.B. Dichtungen, erschwert die Automatisierung vonMontagevorgängen. Das automatisierte Auftragen von Klebstoff als verlierfreie Dichtung bietetsich als Alternative an.
  • Kleben – Zusatzfunktionen des Fügeverfahrens Schrauben sichern: Sicherungen, die ein selbsttätiges Losdrehen von Schrauben verhindern, werden als Losdrehsicherungenbezeichnet. Für diesen Verwendungszweck eignen sich anaerobe Klebstoffe besonders gut. Der Aushärtevorgang findet unter Luftabschluss statt. Daher bleibt der Klebstoff solange im flüssigen Zustand, bis die Gewindeverbindung hergestellt wurde. Elektrische Leifähigkeit: Das Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen ermöglicht die leitende Verbindung unterschiedlicher Oberflächen und führt zu vergleichsweise geringen Temperaturbelastungen der Bauelemente bei der Leiterplattenmontage. Die verformungsfähigen Fügeschichten gleichen die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Leiterplatte und Bauelement auftretenden Spannungen zusätzlich aus.
  • Kleben – technologische Vorteile Gleichmäßige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung hohe dynamische Festigkeit und hohe Schwingungsdämpfung keine thermische Gefügebeeinflussung kein thermisch bedingter Bauteilverzug Verbindungsmöglichkeit für verschiedenste Werkstoffe und Werkstoffkombinationen Verbindungsmöglichkeit für ein großes Spektrum an Fügeteilgeometrien Sowohl manuell anwendbar als auch gut automatisierbar Gute Kombinierbarkeit mit anderen Fügeverfahren Funktionelle Aufgaben in die Klebschicht integrierbar
  • Kleben – technologische Nachteile Einfluss der Zeit auf den Verfahrensablauf Oberflächenvorbehandlung der Fügeteile Begrenzte thermische Formbeständigkeit Sorgfältige Prozesskontrolle Alterungsabhängigkeit der Klebschicht und Grenzschicht Aufwendige Kontrollverfahren Geringe Schälwiderstände, Kriechneigung Begrenzte Reparatur- und Demontagemöglichkeit Aufwendige Festigkeitsberechnungen
  • Kleben – Einteilung der Klebstoffe nach ihrer chemischen Basis Man unterscheidet zwischen Klebstoffen, die auf organischen und anorganischen Verbindungen basieren. Die organischen Klebstoffe stellen von diesen beiden Gruppen den größten Anteil dar und von diesen werden wiederum die Klebstoffe auf künstlicher Basis am häufigsten eingesetzt. Als wesentliche Unterscheidungskriterien ergeben sich entsprechend dieser Einteilung:- Innerhalb der organischen Verbindungen erzielen die Klebstoffe auf künstlicher Basis    wesentlich höhere Werte.- Klebstoffe auf organischer Basis werden im Vergleich zu den anorganischen  Verbindungen bei niedrigeren Temperaturen verarbeitet und besitzen ihnen gegenüber daher auch nur eine geringere thermische Beständigkeit. Die Silicone stellen ihrer Art nach Verbindungen mit organischen und anorganischen Merkmalen dar.
  • Kleben – Aufbau organischer Klebstoffe MonomereAusgangsprodukt, dessen Moleküle einzeln vorliegen und die infolge Vorhandenseins von mindestens zwei funktionellen (reaktionsfähigen) Gruppen in der Lage sind, durch eine chemische Reaktion ein Polymer zu bilden.↓↓↓↓Vernetzungs- bzw. Polyreaktion- Polymerisation- Polyaddition- Polykondensation PolymereOrganischer Stoff, dessen hohes Molekulargewicht auf der vielfachen Wiederkehr eines Grundmoleküls (Monomer, Struktureinheit) beruht.
  • Kleben- Art der Klebstoffe und wie sich unterschieded Duromere: amorph, eng vernetzte MoleküleElastomere: amorph, schwach vernetzte MolekülThermoplaste: amorph, FadenmoleküleThermoplaste: teilkristallin, Fadenmoleküle Je nach Vernetzungsart der Polymere werden die Klebstoffe differenziert. Das entstandene Polymernetzwerk bestimmt die Eigenschaften der Klebschicht maßgeblich.
  • Kleben – Einteilung von Klebstoffen nach dem Abbindemechanismus Molekülzustand zu Beginn des Klebens: Bei den chemisch reagierenden Systemen liegen reaktionsbereite Monomer- bzw. Prepolymermoleküle vor, welche z.B. unter Anwendung von Druck zeit- und/oder temperaturabhängig reagieren, während die physikalisch abbindenden Systeme bereits aus Polymerverbindungen bestehen, welche über Lösungsmittel oder erhöhte Temperaturen in einen benetzungsfähigen Zustand gebracht werden. Anzahl der an der Reaktion beteiligten Komponenten: Bei den chemisch reagierenden Systemen bewirken in der Regel zwei miteinander gemischte Reaktionspartner die Klebschichtbildung, während physikalisch abbindende Systeme in der Regel nur aus einer Komponente, dem bereits im endgültigen Zustand befindlichen Polymer bestehen.
  • Kleben – Einteilung von Klebstoffen nach dem Abbindemechanismus Figure 1 Molekülzustand zu Beginn des Klebens: Bei den chemisch reagierenden Systemen liegen reaktionsbereite Monomer- bzw. Prepolymermoleküle vor, welche z.B. unter Anwendung von Druck zeit- und/oder temperaturabhängig reagieren, während die physikalisch abbindenden Systeme bereits aus Polymerverbindungen bestehen, welche über Lösungsmittel oder erhöhte Temperaturen in einen benetzungsfähigen Zustand gebracht werden. Anzahl der an der Reaktion beteiligten Komponenten: Bei den chemisch reagierenden Systemen bewirken in der Regel zwei miteinander gemischte Reaktionspartner die Klebschichtbildung, während physikalisch abbindende Systeme in der Regel nur aus einer Komponente, dem bereits im endgültigen Zustand befindlichen Polymer bestehen.
  • Kleben – Wichtige physikalisch abbindende Klebstoffe Figure 2 
  • Kleben – Anwendungsbeispiel Dispersionsklebstoff Feste Klebstoffpartikel in wässriger Dispersion Keine Lösungsmittel (Brandschutz, Umwelt) Großflächiger Klebstoffauftrag über Walzsystem Aushärtung durch Verdunstung der flüssigen Phase (reversibel) Geringe Festigkeit Geringe Feuchtebeständigkeit (Recycling) Bei Dispersionsklebstoffen befinden sich die für die Klebschichtbildung in Frage kommendenPolymere als feste Partikel in einem wässrigen, nicht brennbaren und nicht toxischem Dispersionsmittel. Die Ausbildung der Klebschicht erfolgt nach dem Verdunsten der flüssigen Phase. Die Hauptanwendungsgebiete der Dispersionsklebstoffe liegen beim Kleben großflächiger Verbundsysteme, insbesondere bei flexiblen Fügeteilwerkstoffen im Folienbereich, z.B. Mehrschichtaufbautenaus Aluminium- und Kunststofffolien mit oder ohne Papierlagen. Klebstoffefür derartige Anwendungen werden auch als Kaschier- bzw. Laminierklebstoffe bezeichnet.
  • Kleben – Anwendungsbeispiele Lösungsmittelklebstoffe Kontaktklebstoffe Abhängigkeit zwischen Kontaktdruck und Anfangsfestigkeit Im allgemeinen hohe Anfangsfestigkeit Haftklebstoffe Permanente Klebrigkeit Anfangsfestigkeit ≈ Endfestigkeit Nassklebstoffe Geringe Anfangsfestigkeit (Justierung noch möglich) Keine Klebrigkeit nach max. Trockenzeit Klebstoffe, bei denen die Polymere in ihrem molekularen Endzustand in flüchtigen organischen Lösungsmitteln gelöst sind, werden Lösungsmittelklebstoffe („Kleblösungen“) genannt. Durch Verdunsten des Lösungsmittels binden die Klebstoffe physikalisch ab. Das Lösungsmittel dient somit als Verarbeitungshilfe und ist kein Bestandteil der Klebschicht. Wird das Verdunsten des Lösungsmittels aus der Klebfuge durch undurchlässige Materialien (Metalle, Glas) verhindert, so sind lösungsmittelbasierte Kontaktklebstoffe einzusetzen.
  • Kleben – Anwendungsbeispiel Schmelzklebstoffe Industrielle Anwendung – Scheinwerferfertigung im Automobilbau kurze Abbindezeiten hohe Produktionsgeschwindigkeiten Klebstoff leicht verarbeitbar Auftragsprozess gut automatisierbar Handwerk Einfache Handhabung Hohe Anfangsfestigkeiten Lange Haltbarkeit des Rohmaterials Bei den Schmelzklebstoffen liegt der Klebstoff als Polymer vor und besitzt eine thermoplastische Struktur. Durch Erwärmung des Klebstoffes bis in den Schmelzbereich wird der Klebstoff verarbeitungsfähig. Nach dem Auftrag des Klebstoffes durch geeignete Dosiergeräte und dem nachfolgenden Fügevorgang erstarrt der Klebstoff und es bildet sich eine Klebschicht aus. Unter reaktiven Schmelzklebstoffen sind Formulierungen zu verstehen, die eine Kombination aus physikalisch abbindenden und chemisch reagierenden Systemen darstellen. Man unterscheidet zwischen epoxidbasierten Systemen, feuchtigkeitsvernetzenden Polyurethanen und Polyestern.
  • Kleben – Chemisch abbindende Klebstoffe Figure 3 Im Gegensatz zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen ist der Abbindevorgang chemisch reagierender Klebstoffe ein irreversibler Prozess. Chemisch reagierende Klebstoffe zeichnen sich i.a. durch eine hohe Beanspruchbarkeit aus. Strukturelle Klebungen, welche in der Lage sind, hohen mechanischen Belastungen zu widerstehen, werden unter anderem durch diese Klebstoffart realisiert. Die Aushärtung des Klebstoffes geschieht über Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation bei genauer Prozesskontrolle bezüglich der Parameter Zeit, Temperatur und Druck.
  • Kleben – Beispiel Reaktionsklebstoffe Epoxidharz klebstoffe Warum Epoxidharz-Klebstoffe? hohe Festigkeit (bis zu 40 N/mm²) und gute Adhäsion gute Alterungsbeständigkeit Verarbeitungseigenschaften (z.B. Viskosität und Topfzeit) einstellbar Als Rückgratpolymere sind aliphatische, cycloaliphatische und aromatische Epoxidharze geeignet. Für Strukturklebstoffe werden vorzugsweise solche Epoxidharze eingesetzt, die aromatische Gruppen, z.B. Phenole und deren Derivate, im Molekül enthalten. Die bekanntesten Epoxidharze sind solche, die aus Bisphenol A und Epichlorhydrin hergestellt werden. Charakteristische Vorteile von Epoxidharzklebstoffen sind die hohen Festigkeiten (bis zu 40 N/mm²), die gute Adhäsion auf vielen Werkstoffen, eine gute Alterungsbeständigkeit und die Einstellbarkeit der Verarbeitungseigenschaften, welche Epoxidharze universell einsetzbar machen, insbesondere unter hohen Belastungen.
  • Kleben – Aufbau einer Klebung Fügeteil------------- <== Überangszone und Adhäsionszone auf die FügeteiloberflächeKelbstoff  <== Kohäsionszone-------------Fügeteil Kohäsion („innere Festigkeit“): Wirken von Anziehungskräften zwischen Atomen bzw. Molekülen innerhalb eines Stoffes.Adhäsion (Haftungskräfte): Wirken von Anziehungskräften zwischen verschiedenen Stoffen Der Aufbau einer Klebung bzw. einer Grenzschicht lässt sich grob in Fügeteiloberfläche, Adhäsionszone und Kohäsionszone unterteilen. In der Kohäsionszone liegt der Klebstoff in seinem üblichen Zustand vor. In der Adhäsionszone werden die Haftungskräfte des Klebstoffes mit der Fügeteiloberfläche ausgebildet. Sie weist eine modifizierte chemische Struktur und Zusammensetzung auf. Folglich weichen auch die makroskopischen Klebstoffeigenschaften von denen in der Kohäsionszone ab. In der Übergangszone verändern sich Struktur, Zusammensetzung und makroskopische Eigenschaften des Klebstoffes kontinuierlich, wie zum Beispiel die Entmischung durch Diffusion kleiner Klebstoffbestandteile und die Ausrichtung der Molekülketten.
  • Kleben – Kohäsion von Klebstoffen Kohäsion (bei Klebungen):innere Festigkeit des Klebschicht Wirkmechanismen: chemische Bindungen innerhalb der Klebstoff-Polymere chemische Bindungen die zur Vernetzung des Polymers führen zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen den Klebstoff-Molekülen mechanische Verklammerung verschiedener Klebstoff-Moleküle Kohäsion oder auch „innere Festigkeit“ ist das Wirken von Anziehungskräften zwischen Atomen bzw. Molekülen innerhalb eines Stoffes. Die Kohäsionsfestigkeit ist eine werkstoff- und temperaturabhängige Größe, sie ist bei Metallen wesentlich größer als bei Flüssigkeiten. Für die Festigkeit einer Klebung ist das Verhältnis von Kohäsionsfestigkeit der Klebschicht zu der Adhäsionsfestigkeit der Grenzschicht von entscheidender Bedeutung. Ziel bei der Auslegung einer Klebung muss es daher sein, eine Ausgewogenheit zwischen Kohäsions- und Adhäsionskräften zu gewährleisten.
  • Kleben – Adhäsion Adhäsion (bei Klebungen):Grenzflächenbindung zwischen Klebschicht und Fügeteil. Wirkmechanismen: mechanische Adhäsion- Formschlüssige Verklammerung der Klebschicht im Fügeteil- i.d.R. kaum relevanter Einfluss auf die Klebfestigkeit außer bei porösen Werkstoffen  (Holz, Schäume, etc.) spezifische Adhäsion- chemische und zwischenmolekulare Bindungen- i.d.R. irreversibler Prozess Es gibt keine universell anwendbare Theorie der Adhäsion. Der Grund dafür ist die Komplexität aller zusammenwirkenden Faktoren. Die Adhäsion ist vielmehr als Effekt vieler Einzelwechselwirkungen zu verstehen. Man unterscheidet heutzutage in der Regel die folgenden Adhäsionsmechanismen: Mechanische Adhäsion:Hierbei handelt es sich vorwiegend um eine formschlüssige Verankerung der aus einer flüssigen Phase gebildeten Klebschicht in Poren, Kapillaren sowie Hinterschneidungen. Spezifische Adhäsion:Hierunter werden die auf chemischen, physikalischen und thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten beruhenden Adhäsionserscheinungen verstanden. Sie stellen die wesentliche Ursache für die Ausbildung der Adhäsionskräfte in Klebungen dar. Der Wirkungsbereich liegt bei ca. 0,2-1 nm.
  • Kleben – Brucharten von Klebungen Festigkeit der Klebung wird wie bei einer Kette durch das schwächste Glied bestimmt Bezeichnung der wichtigsten Bruchbilder nach DIN EN ISO 10365: Adhäsionsbruch Kohäsionsbruch Substratnaher Kohäsionsbruch Mischbruch (Kohäsiver) Bruch eines Fügeteils Wichtige Erkenntnisse zum Versagensmechanismus und zur Verbesserung der Klebfestigkeiten Angestrebtes Versagensverhalten: Kohäsionsbruch bei maximaler Klebstofffestigkeit
  • Kleben – Oberflächenaufbau von Fügeteilwerkstoffen Figure 4 Ausgehend von dem Grundwerkstoff mit seiner je nach Herstellungsbedingungen spezifischenGefüge- bzw. Polymerstruktur und Festigkeit sind zu unterscheiden: Die Grenzschicht, mit gegenüber dem Grundwerkstoff veränderten physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften, z.B. verursacht durch eine nachträgliche Verformung. Die Reaktionsschicht, entstanden durch eine natürliche oder künstliche chemische Veränderung der Grenzschicht. Die Adsorptionsschicht, gebildet durch Aufnahme artfremder Moleküle (z.B. Wasser, Gase). Im Gegensatz zu der Reaktionsschicht handelt es sich hierbei um eine weitgehend reversible Schichtbildung. Verunreinigungen, die sich in nicht zu definierender Schichtdicke in Form fester (Staub, Schmutz) oder flüssiger (Öle, Fette, Feuchtigkeit) Substanzen auf der Oberfläche befinden können.
  • Kleben – Oberflächenvorbereitung Herstellen von klebbaren Flächen Bauteil säubern (mechanische Verfahren (Bürsten, Schleifen)) Entfernen von Zunder, Rost Entfernung von Farben, Lacken Entfernung von Schmutz Klebfläche herstellen Entfernen von Graten Erstellung von ebenen Flächen Klebfläche entfetten (Auftrag von Lösungsmittel oder eine Dampf-Entfettung) Entfernen von Fetten, Ölen, Wachs
  • Kleben – Oberflächenvorbehandlung zur Verbesserung der Adhäsionsbedingungen Mechanisch Strahlen, Schleifen Bürsten, SkelettierenPhysikalisch Corona-Verfahren Niederdruck-, AtmosphärenplasmabehandlungChemisch Beizen, Trockenätzen Ozonisieren, Fluorierenpyhsikalisch-chemisch Ionenätzen Beflammen

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