Untersuchungen zum Fügen mehrschnittiger Blechverbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet
Norbert Dölle, Ortwin Hahn, Monika Timm, Wolfgang Voelkner
Mehrlagige Verbindungen durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet sind möglich und weisen bei entsprechender Anpassung der Setzwerkzeuge und Hilfsfügeteile an die spezielle Fügeaufgabe prinzipiell die gleichen charakteristischen Eigenschaften wie zweilagige Verbindungen auf. Für das Verbinden von Stahlwerkstoff in Tiefziehqualität und Aluminiumblechen durch Stanznieten mit Halbhohlniet können die standardmäßig verfügbaren Niete und Matrizen mit Anpassung der Prozessparameter (Füge- und Niederhalterkraft) verwendet werden.
Insgesamt wurden für die Untersuchung der vier Materialqualitäten in jeweils zwei Blechdicken mit nur vier Matrizen (zwei Standardmatrizen und zwei angepasste) gearbeitet. Mit diesen vier Matrizengravuren konnten alle artgleichen und auch die Mischverbindungen mit einer charakteristischen Fügeelementausbildung erzeugt werden. Die Hilfsfügeteile (Halbhohlniete) mussten in Länge und Härtegrad, entsprechend der Gesamtfügeteildicke und Materialqualität der Fügeteile, der Fügeaufgabe angepasst werden, so dass hier insgesamt 8 Nietarten zum Einsatz kamen. Bei mehrlagigen Verbindungen sind entsprechend der größeren Fügeteilgesamtdicken höhere Prozesskräfte (Fügekräfte) im Vergleich zu zweilagigen Verbindungen erforderlich. Unabhängig von der Art der Fügeaufgabe ist in der Regel eine hohe Prozessstabilität zu verzeichnen, was durch kleine Werte der Standardabweichung bei der quasistatischen Verbindungsfestigkeit belegt wird.
Die Untersuchungen zur Fügeteilanordnung führen zu der Erkenntnis, dass auch bei Vorhandensein unterschiedlicher Blechdicken und der Ausführung von Mischverbindungen in jedem Fall eine in Fügeelementausbildung und Verbindungsfestigkeit hochwertige Stanznietverbindung mit Halbhohl und Vollniet erzeugt werden kann. In bestimmten Grenzen sind dabei Veränderungen der Fügeteilgesamtdicke bzw. der Wechsel der Fügerichtung beim Stanznieten mit Halbhohlniet möglich, ohne dass Niet oder Matrize geändert werden müssen.
Beim Stanznieten mit Vollniet sind die zulässigen Gesamtblechdicken je Nietlänge zu beachten, da dieses Verfahren vergleichsweise empfindlicher auf Blechdickenschwankungen reagiert. Ebenfalls ist zu beachten, dass die unter quasistatischer Scher- und Schälzugbelastung erreichbaren Festigkeiten variieren. Diese Aussagen gelten prinzipiell auch für das untersuchte höherfeste Stahlblech, wobei hier die Verwendung einer angepassten Matrize beim Stanznieten mit Halbhohlniet die Fügeelementausbildung begünstigt. Für die sichere Abschätzung der quasistatischen Verbindungsfestigkeit an Einpunktproben empfiehlt sich die Einspannung am äußeren Blech als kritischster Fall. Die quasistatischen Verbindungsfestigkeiten lassen nur bedingt Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten zu, da die unterschiedlichen Steifigkeiten und Lasteinleitungsfälle ein anderes Versagensverhalten verursachen.
Das Stanznieten mit Halbhohlniet zeigt sich tolerant gegenüber fertigungsbedingten Einflüssen (Oberfläche, Blechdickenschwankungen), so dass auch die bei mehrlagigen Verbindungen größere Summation von Toleranzen keinen signifikanten Einfluss auf Fügeelementausbildung und Verbindungsfestigkeit ausüben. Aus anwendungstechnischer Sicht sollten folgende Grundregeln beachtet werden:
– Bei Mischverbindungen ähnlicher Dicke Material mit höherer Festigkeit außen anordnen.
– Bei artgleichen Verbindungen unterschiedlicher Einzelblechdicke dickere Materiallagen außen anordnen (vorzugsweise matrizenseitig).
