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Leseprobe_100161

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Reisgen ∙ Stein

Grundlagen

der Fügetechnik

Schweißen, Löten und Kleben


Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über

htttp://dnb.dnb.de abrufbar.

Fachbuchreihe Schweißtechnik

Band 161

ISBN 978-3-945023-49-5

Alle Rechte vorbehalten.

© DVS Media GmbH, Düsseldorf · 2016

Herstellung: Kraft Druck GmbH, Ettlingen


Vorwort

In fast jeder industriellen oder handwerklichen Produktion stellt das Zusammenfügen

von Einzelteilen den entscheidenden Schritt zur Herstellung von Unterbaugruppen,

Baugruppen und fertigen Produkten dar. Neben kraft- und formschlüssigen

Fügeverfahren kommen hier aufgrund ihrer spezifischen Vorteile

sowohl auf technologischem als auch auf wirtschaftlichem Gebiet häufig stoffschlüssige

Fügeverfahren wie das Schweißen, Kleben oder Löten zur

Anwendung. Möglichkeiten, Grenzen und notwendige Randbedingungen der zur

Verfügung stehenden Verfahren, die Wechselwirkungen der verwendeten

Werkstoffe mit den Prozessen und deren Auswirkungen auf das Bauteil, aber

auch die Fertigungsaspekte wie die Mechanisierung und Automatisierung der

Produktionsabläufe sowie auch der Arbeitsschutz sind schon in der Konzept- und

Konstruktionsphase zu berücksichtigen. Auch die Qualitätssicherung dieser

vergleichsweise komplexen Prozesse sollte möglichst früh bedacht werden.

Die nach dem Berufsabschluss zu absolvierende Ausbildung zu Schweiß-, Lötoder

auch Klebfachleuten, welche sowohl auf der Ingenieursebene als auch

im Technikerbereich angeboten wird, generiert und qualifiziert Spezialisten,

die dann hauptsächlich in der Fertigung beschäftigt werden. In allen anderen

Bereichen werden meist Generalisten oder spezialisierte Konstrukteure, Arbeitsplaner

oder Qualitätssicherer eingesetzt. Die Erfahrung der Autoren lehrt, dass

gerade bei diesen Berufsgruppen die grundlegenden Kenntnisse rund um das

stoffschlüssige Fügen oft nicht ausreichend sind.

Konsequenterweise wendet sich dieses Fachbuch an Ingenieure und Techniker

mit Aufgaben in Konstruktion, Arbeitsplanung, Fertigung oder Qualitätssicherung

aus Industrie und Handwerk in Unternehmen jeglicher Größe, denen es als

Einstieg in das Thema „Fügetechnik“ dienen soll. Aber auch den Studenten der

Ingenieurwissenschaften soll es zur Vertiefung des Vorlesungsstoffs dienen.

Neben dem Schweißen werden auch die verwandten Verfahren Löten und

Kleben als Exkurs berücksichtigt. Der Leser soll so in die Lage versetzt werden,

technologisch und wirtschaftlich geeignete Fügeprozesse auszuwählen und sein

Produkt im Fertigungsumfeld möglichst fügegerecht zu gestalten.

Den Autoren ist es wichtig, das Spannungsfeld aus Fertigung, Werkstoff, konstruktiver

Ausgestaltung, Qualitätssicherung und wirtschaftlichen Randbedingungen

zu beleuchten. Das Fachbuch folgt in seinem Aufbau diesem

Gedanken und stellt neben den Fügeverfahren und deren technologischen und

wirtschaftlichen Möglichkeiten sowie Grenzen auch die Einbindung in Fertigungsabläufe,

Qualitätssicherung und den Arbeitsschutz dar. Dem Werkstoffverhalten

beim Fügen ist ein eigenes Kapitel gewidmet. Daraus abgeleitet werden

grundlegende Regeln zur konstruktiven Gestaltung behandelt. Aus Gründen der

Übersichtlichkeit und des einfacheren Verständnisses wird dabei in vielen Fällen

auf eine hohe Detailtiefe verzichtet und stattdessen auf weiterführende Literatur

und Normung verwiesen.


Das Fachbuch entstand unter Mithilfe von Mitarbeitern des Institutes für Schweißtechnik

und Fügetechnik der RWTH Aachen. Die Autoren bedanken sich hier

insbesondere bei Herrn Dipl.-Ing. Jens Schoene für die Erstellung des Kapitels

„Kleben“ und bei allen anderen Kollegen für die kritische Durchsicht des Textes.

Aachen, im Februar 2016

Uwe Reisgen und Lars Stein


1 Einführung

Produktion, das heißt die Be- und Verarbeitung von Rohstoffen und Halbzeugen

zu nutzbaren Produkten, ist fast so alt wie die Menschheit selber. Faustkeile als

sehr frühe bekannte Werkzeuge sind schon bei den Frühmenschen nachgewiesen

und stellen sowohl ein bearbeitetes Produkt wie auch ein Werkzeug, z. B. für

die Gewinnung und Herstellung von Nahrung, dar.

Diese monolithischen ersten „Produkte“ kamen noch ohne Fügetechnik aus.

Doch schon die Weiterentwicklung dieser noch sehr primitiven Werkzeuge zu

effektiveren Waffen oder Bearbeitungswerkzeugen (zum Beispiel durch Montage

einer Steinklinge auf einen hölzernen Schaft zur Herstellung eines Beiles als

Werkzeug zur Holzbearbeitung) machte die Entwicklung von Fügeverfahren notwendig.

Bei der im September 1991 in den Ötztaler Alpen aufgefundenen und

später als „Ötzi“ bekannt gewordenen Mumie eines aus der beginnenden Kupferzeit

stammenden Menschen fanden sich neben der erhaltenen und durchaus

recht komplex gearbeiteten Bekleidung auch zahlreiche Ausrüstungsgegenstände

und Waffen, Abbildung 1. Hervorzuheben ist das Beil, bei dem eine gegossene

und durch kaltes Hämmern hergestellte Klinge aus reinem Kupfer mit Birkenholzteer

in eine sorgfältig bearbeitete Schäftung aus Holz eingeklebt und die Fügestelle

durch Umwickeln mit schmalen Lederstreifen verstärkt wurde. Dieselbe

Technik fand sich auch bei den in einem aus Gamsfell genähten Köcher gefundenen

Pfeilen [1].

Abbildung 1. Beil und Pfeile aus der beginnenden Kupferzeit

(© Südtiroler Archäologiemuseum – www.iceman.it).

Ein anderes Beispiel aus der Antike stellt das rund 2500 vor Christus in Sumer

entdeckte Feuerschweißen von Gold dar [2], welches es den Metallhandwerkern

ermöglichte, dauerhaft gefügte Produkte aus mehreren Einzelteilen zu fertigen.

Funde aus vielen frühen Kulturen belegen die Verwendung von Feuerschweißund

Lötprozessen, meist zur Fertigung von Schmuck und Kultgegenständen.

1


Mitte bis Ende des 18. Jahrhunderts wird von den ersten Nachweisen der Autogentechnik

und auch den ersten elektrischen Schweißverfahren berichtet. Meilensteine

auf dem Weg zur modernen Schweißtechnik waren sicherlich auch die

Erfindung des Luftzerlegeverfahrens durch Carl von Linde 1902 sowie 1905 der

Acetylen-Sauerstoff-Brenner von Messer. Bereits 1906 wurden die ersten Punktschweißmaschinen

von AEG an die Blechwarenindustrie ausgeliefert. 1907/1908

erhielt Kjellberg Patente für umhüllte Stabelektroden, die später dem Schweißen

mit der Stabelektrode zum Durchbruch verhelfen sollten. Frühe Varianten des

Lichtbogenschweißens mit abschmelzender Elektrode finden sich ab 1922, die

dann später zum Metall-Schutzgasschweißen (1926) und Unterpulverschweißen

(etwa 1934) weiterentwickelt wurden. Parallel dazu wurden viele Entwicklungen

angestoßen, die schlussendlich zu der Vielzahl von Schweißverfahren geführt

haben, die heute für die handwerkliche und industrielle Fertigung zur Verfügung

stehen.

Bei der Produktion eines modernen Kraftfahrzeuges werden heute in allen Bereichen

(Antrieb, Karosserie, Fahrwerk, Elektrik und Elektronik, Innenausstattung,

usw.) Fügeprozesse eingesetzt. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Funktion,

der eingesetzten Werkstoffe sowie der geforderten mechanisch-technologischen

Eigenschaften der Verbindung wird eine Vielzahl von Einzelteilen zu Unterbaugruppen

zusammengesetzt, aus denen Baugruppen entstehen, die dann nach

weiteren Fügeprozessen das verkaufsfertige Fahrzeug ergeben, Abbildung 2.

2

Abbildung 2. Multimaterialmix an einer PKW-Leichtbaukarosserie [3].


Ohne Fügeprozesse ist damals wie heute handwerkliche und industrielle Produktion

von Gütern undenkbar. DIN 8580 [4] ordnet das Fügen daher in eine eigene

Hauptgruppe ein, Tabelle 1, deren Zweck es ist, die Form der Werkstücke durch

das Vermehren des Zusammenhaltes (dem Verbinden) zu verändern.

Tabelle 1. Systematik der Produktionsverfahren nach DIN 8580, Tabelle 1 [4].

Schaffen der

Form

Zusammenhalt

schaffen

Hauptgruppe 1

Urformen

Zusammenhalt

beibehalten

Hauptgruppe 2

Umformen

Ändern der Form

Zusammenhalt

vermindern

Hauptgruppe 3

Trennen

Zusammenhalt vermehren

Hauptgruppe

4 gruppe 5

Haupt-

Fügen Beschichten

Ändern der

Stoffeigenschaften

Hauptgruppe 6

Stoffeigenschaft

ändern

1.1 Systematik des Fügens

Nach DIN 8593 bezeichnet der Begriff „Fügen“ das auf Dauer angelegte Verbinden

oder sonstige Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch

bestimmter Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff.

Dabei wird jeweils der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt

[5]. Die Verbindung kann dabei beweglich oder unbeweglich sein, die für den

Zusammenhalt notwendigen Kräfte werden über die Wirkflächen übertragen.

Systematisch wird nach lösbaren Verbindungen (welche ohne Beschädigung der

gefügten Teile wieder gelöst werden können [5]) und unlösbaren Verbindungen

(welche nur unter Inkaufnahme einer Beschädigung oder Zerstörung der gefügten

Teile wieder gelöst werden können [5]) unterschieden.

Abbildung 3. Grundsätzliche Möglichkeiten des Zusammenhaltes.

Zur Übertragung der für den Zusammenhalt notwendigen Kräfte kann weiterhin

nach drei grundsätzlichen Mechanismen unterschieden werden, Abbildung 3.

– Formschluss überträgt die Verbindungskräfte durch Verhindern einer senkrecht

zur Wirkebene gerichteten Bewegung. Formschlüssige Verbindungen können

lösbar oder unlösbar sein und je nach Konstruktion auch noch lineare oder

3


otatorische Bewegungen in einer oder mehreren Raumachsen zulassen. Beispiele

sind Nut-Passfeder-Verbindungen, Abbildung 4, oder Schwalbenschwanzverbindungen.

Abbildung 4. Formschluss – Passfeder

in einer Welle-Nabe-Verbindung.

Abbildung 5. Kraftschluss – Welle-Nabe-

Schrumpfverbindung, Montage durch

Kühlung der Welle (Quelle: IES GmbH,

Krefeld).

– Kraftschluss nutzt die Reibung zur Übertragung der Verbindungskräfte. Dies

setzt eine senkrecht auf die Wirkebene gerichtete Kraft voraus, die, über den

Haftreibungskoeffizienten verknüpft, die zusammenhaltende Kraft hervorruft.

Die Verbindungen können sowohl lösbar wie auch unlösbar ausgeführt sein,

und sind in der Regel nicht beweglich. Beispiele sind Schrumpf- und Pressverbindungen,

Abbildung 5, auch geklemmte Verbindungen beruhen auf Kraftschluss.

4

Abbildung 6. Stoffschluss – Mehrlagenschweißung mit dem Unterpulververfahren.


– Stoffschluss überträgt die Verbindungskräfte auf atomarer oder molekularer

Ebene. Die Verbindungen sind immer unbeweglich und in der Regel unlösbar.

Beispiele sind Schweißverbindungen, Abbildung 6, Klebverbindungen oder

auch Lötungen.

Daneben existieren auch Verbindungsverfahren, die mehrere dieser Mechanismen

kombinieren:

Abbildung 7 zeigt eine Klemmbefestigung auf einer Werkzeugmaschine. Die Bewegung

des Werkstückes auf dem Maschinentisch wird durch Kraftschluss verhindert,

die dazu notwendige Kraft senkrecht zur Wirkebene wird durch die

Schraube mittels Vorspannung und Formschluss durch Schraubenkopf und Nutenstein

aufgebracht. Die axiale Verschiebung der Mutter wird durch Formschluss

verhindert, das selbstständige Zurückdrehen der Mutter auf dem Gewinde verhindert

die Reibung, hier herrscht Kraftschluss. Ebenfalls durch Formschluss

fixiert ist der Nutenstein in der T-Nut.

Abbildung 7. Kombination von Fügemechanismen Formschluss und Kraftschluss.

Die Hauptgruppe „Fügen“ wird ihrem Wirkprinzip nach weiter in Untergruppen

geteilt, von denen im Rahmen dieses Buches die Gruppen 4.6 „Fügen durch

Schweißen“ und 4.7 „Fügen durch Löten“ sowie als Exkurs 4.8 „Fügen durch

Kleben“ und 4.5 „Fügen durch Umformen“ behandelt werden sollen, Abbildung 8.

5


Abbildung 8. Untergliederung der Hauptgruppe 4 „Fügen“ nach DIN 8580 [4].

Zur vereinfachten internationalen Kommunikation definiert DIN EN ISO 4063 [6]

zusätzlich ein System von Ordnungsnummern, über das die vom Konstrukteur

vorgesehenen Schweißprozesse ohne Sprachbarrieren angegeben werden können.

So steht 141 beispielsweise für das Wolfram-Inertgasschweißen mit Massivdraht

oder -stabzusatz.

1.2 Fügen im Spannungsfeld von Konstruktion, Werkstoff und

Wirtschaftlichkeit

Die Auswahl eines für eine spezifische Aufgabe geeigneten Fügeverfahrens

muss aus verschiedenen Blickwinkeln heraus angegangen werden, Abbildung 9.

6


Abbildung 9. Einflussfaktoren auf die Auswahl eines Fügeverfahrens.

● Die Konstruktion des Bauteiles realisiert zunächst einmal die Funktion des späteren

Produktes und definiert die Anforderungen an den Werkstoff und an die

Verbindung selber. Gleichzeitig definiert sie sowohl die Randbedingungen (die

Zugänglichkeiten zur Verbindungsstelle, die Wärmeableitbedingungen genauso

wie den verfügbaren Platz für notwendige Spann- und Fixiermittel), unter denen

die Verbindung hergestellt werden muss, als auch die Betriebsbedingungen

(Spannungszustände und -niveaus, Temperaturen und Beanspruchungen),

unter denen sie funktionieren muss. Die konstruktive Auslegung bestimmt

somit die Fügesicherheit sowohl im Hinblick auf eine sichere Herstellung als

auch im Hinblick auf sicheren Betrieb der Verbindung beim Gebrauch des fertigen

Produktes.

● Das ausgewählte Verfahren muss unter den vorgegebenen Randbedingungen

die Herstellung der Verbindung ermöglichen und gleichzeitig für den (die) zu

fügenden Werkstoff(e) geeignet sein.

● Der (die) Werkstoffe dagegen müssen sowohl die mechanisch-technologischen

Anforderungen der Konstruktion erfüllen als auch für die Verarbeitung mit dem

entsprechenden Fügeverfahren geeignet sein.

7


Die sorgfältige Abstimmung von Fügesicherheit, Fügeeignung und Fügemöglichkeit

bestimmt definitionsgemäß die Fügbarkeit. Die Darstellung auf der Grundfläche

des Tetraeders soll die gegenseitigen Abhängigkeiten verdeutlichen, Abbildung

9. Dies sind zum Beispiel:

● Die Funktion des Bauteiles bestimmt im Groben seine geometrische Form, dies

bestimmt zusammen mit den Betriebskräften die von der Verbindung zu übertragenden

Kräfte und Spannungszustände, welche zusammen mit den sonstigen

Betriebsbedingungen die Anforderungen an den Werkstoff festlegt. Die

Geometrie des Werkstückes legt auch die Anforderungen an das Fügeverfahren

fest.

● Das Fügeverfahren setzt geometrische Randbedingungen für seine Anwendungen

und schränkt damit die Freiheiten der Konstruktion ein. Gute Zugänglichkeiten

zur Verbindungsstelle lassen sowohl dem Menschen wie auch dem

Automaten mehr Freiheitsgerade bei der Herstellung der Verbindung und haben

letztendlich auch Einfluss auf die Prozesssicherheit und Qualität. Fügeverfahren

sind nicht universell für alle Werkstoffe einsetzbar, da sie in ihrer Anwendung

sowohl von den Werkstoffeigenschaften abhängen als auch diese unter

Umständen negativ verändern können. Sie schränken daher die verfügbare

Werkstoffpallette ein.

● Der Werkstoff setzt zur Einstellung oder zum Erhalt seiner spezifischen Eigenschaften

Randbedingungen voraus (zum Beispiel hinsichtlich der Wärmeführung),

die über die Bauteilgeometrie und das Schweißverfahren eingestellt

werden müssen.

Ausreichende Fügbarkeit, welche oft erst in einem iterativen Prozess herbeigeführt

werden kann, beschreibt in der Folge die Schnittmenge der Möglichkeiten

von Fügesicherheit, Fügeeignung und Fügemöglichkeit und wird häufig für eine

bestimmte Fügeaufgabe zu mehr als einer technischen Lösung führen. Diese rein

technologischen Betrachtungen sind noch zum Finden der optimalen Lösung

zusätzlich einer wirtschaftlichen Betrachtung zu unterziehen. Dabei gehen unter

anderem ein:

● Stückzahlen:

Die geplanten Stückzahlen, in denen das Produkt gefertigt werden soll, bestimmen

im Wesentlichen den Anteil, den die Fixkosten zum Gestehungspreis

einer Produkteinheit beitragen. Hohe Stückzahlen rechtfertigen hohe Investitionen

in Anlagen, Geräte und Vorrichtungen, wenn sich diese durch Reduzierung

der variablen Kosten (bestehend aus den auf eine Verkaufseinheit bezogenen

Material- und Bearbeitungskosten) soweit amortisieren, damit sich insgesamt

ein wirtschaftlicher Vorteil ergibt.

Kleine Stückzahlen (oder gar Einzelanfertigungen) dagegen bieten kaum Potential

zur Amortisierung hoher Investitionen und sind daher oft preiswerter

durch Einsatz universell nutzbarer Anlagen und hohen Personalaufwand herzustellen.

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● Anlagen- und Gerätekosten:

Die Auswahl eines Verfahrens für eine Fügeaufgabe bestimmt, welche Anlagen,

Geräte und Vorrichtungen für diese benötigt werden. Bei der Auswahl des

Verfahrens sind hier neben rein technologischen Aspekten auch Aspekte wie

die Verfügbarkeit im Unternehmen (können vorhandene Anlagen und Geräte,

mit denen bereits Erfahrungen vorliegen, genutzt werden? Haben diese freie

Kapazitäten?), die Notwendigkeit einer Neuinvestition oder die eventuelle

Fremdvergabe zu berücksichtigen. Bei den variablen Kosten geht vor allem die

Fertigungszeit in die Kalkulation ein.

● Kosten der Fügeteile:

Die Kosten für die Fügeteile setzen sich aus den Materialkosten und dem Aufwand

zu deren Fertigung zusammen. Der notwendige Fertigungsaufwand der

Einzelteile hängt wiederum vom eingesetzten Verfahren und dem gewählten

Mechanisierungsgrad ab (Als Faustregel kann festgehalten werden: je wirtschaftlicher

das Verfahren und je höher der Mechanisierungsgrad, umso genauer

müssen die Einzelteile gefertigt und positioniert werden und/oder umso

mehr teurer Vorrichtungs- oder Sensorik-/Überwachungsaufwand muss zur Sicherstellung

eines ausreichenden Ergebnisses betrieben werden). Dabei kann

es in der betriebswirtschaftlichen Analyse durchaus Sinn machen, wenn beispielsweise

durch Verwendung von teurerem Vormaterial Bearbeitungsschritte

vereinfacht oder gar eingespart werden (z. B. durch Verwendung von Normprofilen

statt selbst geschweißter Profile aus Blechen) oder die Nutzung hochfester

statt allgemeiner Baustähle, die dann höhere Schweißkosten verursachen

und einer anschließenden Wärmebehandlung bedürfen, um ähnliche Festigkeiten

zu erreichen.

● Personalkosten:

Die Personalkosten hängen wesentlich von der benötigten Qualifikation, aber

auch vom benötigten Zeitaufwand ab. Außer durch die Auswahl des Fügeverfahrens

werden sie vor allem durch die Zugänglichkeit zur Verbindung und den

Mechanisierungsgrad beeinflusst.

● Prüfkosten:

Der Prüfaufwand hängt außer von den Vorgaben durch Gesetzgeber oder

Kunde in starkem Maße von der Fehlerwahrscheinlichkeit und damit der Prozesssicherheit

des jeweiligen Prozessschrittes ab. Dies lässt sich durch Verfahrensauswahl,

die Qualifikation des Personals, die Genauigkeit der Teilevorbereitung

und der Vorrichtungen, die Zugänglichkeit zur Verbindungsstelle bei

der Herstellung und nicht zuletzt auch von der einfachen Anwendbarkeit des

Prüfverfahrens beeinflussen.

Mögliche Lösungen sind also durch die betriebswirtschaftliche Analyse des gesamten

Fertigungsablaufes zu bewerten. Die optimale Fügelösung (oder der beste

Kompromiss) ist dann diejenige, mit der das zu fertigende Produkt am Ende

mit den geforderten Eigenschaften zum günstigsten Preis hergestellt werden

kann, Abbildung 10.

9


Abbildung 10. Einflussfaktoren auf die Kosten einer Verbindung.

1.3 Auswahl von Fügeverfahren

Fügen ist ein komplexer Prozess, in dem eine Vielzahl ineinander greifender Faktoren

sowohl die technische Qualität als auch den wirtschaftlichen Erfolg des so

hergestellten Produktes ausmachen, Abbildung 11. Erst die sorgfältige Abstimmung

aller Einflussfaktoren aufeinander sowie Funktion und Design des Bauteiles

ergeben ein Produkt, das kostengünstig, prozesssicher und in guter Qualität

gefertigt werden kann.

Die systematische Auswahl eines Fügeverfahrens beginnt deshalb idealerweise

bereits in einem sehr frühen Stadium des Konstruktionsprozesses zu einem Zeitpunkt,

ab dem in einem groben Konzept Materialien, Blechdicken und auch die

mechanisch-technologischen Anforderungen an die jeweilige Verbindung bekannt

sind. Anhand dieser Kriterien werden anhand der Vielzahl möglicher Fügeprozesse

diejenigen vorausgewählt, mit denen die Fügeaufgabe grundsätzlich

erledigt werden kann.

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