SB_12.755N_Leseprobe

2003
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zum
Einfluss einer
Temperaturbelastung
auf das Verhalten von
Strukturklebungen

Untersuchungen zum Einfluss
einer Temperaturbelastung auf
das Verhalten von
Strukturklebungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 12.755 N
DVS-Nr.: 09.029
Laboratorium für Werkstoff- und
Fügetechnik LWF Universität Paderborn
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 12.755 N / DVS-Nr.: 09.029 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 27
Bestell-Nr.: 170136
ISBN: 978-3-96870-026-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
Seite II
9 Untersuchungen am 1K-PU Klebstoffsystem mittels Hutprofilproben
unter zyklischer Temperaturbelastung.................................................... 42
9.1 Untersuchte Werkstoffkombinationen von Hut und Deckblech .............................. 42
9.2 Fertigung der Hutprofilproben ................................................................................. 43
9.3 Prüfung der Hutprofile unter quasistatischer Torsionsbelastung ............................. 44
9.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Hutprofilprüfung......................................... 56
10 Untersuchungen an 1K- und 2K-EP Klebstoffsystemen mittels
Jochproben unter zyklischer Temperaturbelastung............................... 58
10.1 Fertigung der Jochproben......................................................................................... 59
10.2 Bearbeitung der Jochproben vor der quasistatischen Zugscherprüfung................... 60
10.3 Quasistatische Zugscherprüfung der Jochproben..................................................... 61
10.3.1 Quasistatische Prüfung der Jochproben, Klebstoff Betamate1496, gealtert
nach TWT -40/80.............................................................................................. 61
10.3.2 Quasistatische Prüfung der Jochproben, Klebstoff Betamate1496, gealtert
nach TWT -40/125............................................................................................ 64
10.3.3 Quasistatische Prüfung der Jochproben, Klebstoff ScotchWeld DP490,
gealtert nach TWT -40/80................................................................................. 67
10.4 Bruchflächenuntersuchungen nach quasistatischer Scherzugprüfung...................... 70
10.5 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Jochprobenprüfung ..................................... 73
11 Untersuchungen an 1K-EP Klebstoffen mit der modifizierten
Jochprobe unter zyklischer Temperaturbelastung................................. 74
11.1 Fertigung der KS-2 Probenhälften und Prüfung auf Scherzug................................. 76
11.2 Quasistatische Scherzugprüfung, Klebstoff Betamate1496 mit der modifizierten
Jochprobe gealtert..................................................................................................... 77
11.2.1 Quasistatische Scherzugprüfung, Klebstoff Betamate1496 mit der
modifizierten Jochprobe gealtert, TWT -40/80 ................................................ 78
11.2.2 Einfluss einer überlagerten Relativverschiebung während der Aushärtung
auf die Festigkeit der KS-2 Proben................................................................... 80
11.3 Quasistatische Scherzugprüfung, Klebstoff SikaPower 490/6 mit der
modifizierten Jochprobe gealtert, TWT -40/80........................................................ 81
11.4 Bruchflächenuntersuchung nach quasistatischer Scherzugprüfung an den KS-2
Proben....................................................................................................................... 83
11.5 Zusammenfassung der Ergebnisse zu den Untersuchungen mit der modifizierten
Jochprobe.................................................................................................................. 85
12 Untersuchungen am Realbauteil unter einer zyklischen
Temperaturbelastung................................................................................. 86
12.1 Fertigung der Schubfelder ........................................................................................ 86
12.2 Messung der Bauteilverformung infolge Warmaushärtung ..................................... 87
12.3 Ermittlung der quasistatischen Festigkeit der Schubfelder vor und nach der
Alterung, TWT -40/80.............................................................................................. 90

Inhaltsverzeichnis
Seite III
13 Berechnungen mit der Finiten Elemente Methode (FEM) zur
Ermittlung schadensrelevanter Einflussfaktoren ................................... 93
13.1 Linearelastisches und viskoelastisches Klebschichtverhalten.................................. 93
13.2 Ermittlung des linearviskoelastischen Materialverhaltens am Beispiel des
Klebstoffs Betamate1496 ......................................................................................... 93
13.3 Linearelastische FEM Berechnungen an der Hutprofilprobe................................... 96
13.3.1 Verifikation der FEM Berechnung am Hutprofil ............................................. 99
13.3.2 Parametervariation bei der Hutprofilprobe....................................................... 99
13.4 FEM Berechnungen an der modifizierten Jochprobe............................................. 103
13.4.1 Verifikation der FEM Berechnung an der modifizierten Jochprobe mit Hilfe
des Grauwertkorrelationsverfahrens............................................................... 103
13.4.2 Bestimmung der Beanspruchung in der Klebschicht an der modifizierten
Jochprobe unter Temperaturbelastung............................................................ 108
13.4.3 Energiedissipation in der Klebschicht durch irreversible viskoelastische
Effekte bei der modifizierten Jochprobe ........................................................ 111
13.5 FEM Berechnungen an der Jochprobe zur Bestimmung der
Gleitungsbeanspruchung infolge Temperaturänderung ......................................... 115
13.6 FEM Berechnungen am Schubfeld unter einer Temperaturbelastung ................... 117
13.6.1 Bestimmung der Bauteilverformung infolge Abkühlung nach erfolgter
Aushärtung beim Schubfeld ........................................................................... 118
13.6.2 Bestimmung der Klebstoffbeanspruchung bei einer thermischen
Wechselbelastung beim Schubfeld................................................................. 121
13.6.3 Überlagerung von Gleitungen infolge des Aushärteprozesses und von
Gleitungen infolge thermischer Wechselbelastung ........................................ 122
13.7 Zusammenfassung der Ergebnisse der FEM Berechungen .................................... 123
14 Rasterelektronenmikroskopsische Untersuchungen............................. 124
14.1 REM Untersuchungen an der Jochprobe................................................................ 124
14.2 Zusammenfassung der REM Untersuchungen ....................................................... 129
15 Konstruktionshinweise für Strukturklebungen in Mischbauweisen .. 130
16 Zusammenfassung .................................................................................... 134
17 Literaturverzeichnis................................................................................. 137

1 Einleitung 1
1 Einleitung
Aufgrund des stetig wachsenden Umweltbewusstseins und dem damit verbundenen Bestreben,
Energie und Ressourcen zu sparen, sind Industrieunternehmen gezwungen, die Eigenschaften
der verschiedenen technisch relevanten Werkstoffe bestmöglich zu kombinieren. So
ist zum Beispiel das durchschnittliche Automobilgewicht in den letzten Jahren durch umfangreiche
Sicherheits- und Komfortausstattungen deutlich angestiegen. Mit einem Anstieg des
Fahrzeuggewichtes ist aber auch ein Anstieg des Energieverbrauches verbunden [Hen00,
Bru95]. Diesem Trend wird vielfach versucht, durch Leichtbaumassnahmen entgegenzuwirken
[Brü03].
Das Kleben, als Fügeverfahren für flächige Verbindungen wird seit mehr als einem halben
Jahrhundert erfolgreich bei diesen anspruchsvollen Verbindungsproblemen eingesetzt und
bietet im Hinblick auf die Realisierung von Leichtbaustrukturen eine große Anzahl von
Vorteilen. Neben der Möglichkeit artfremde Werkstoffe stoffschlüssig zu verbinden, können
durch eine Klebverbindung auch Aufgaben wie zum Beispiel Abdichten, Isolieren, Dämpfen
und Korrosionsschutz gewährleistet werden.
Aber gerade der Einsatz von Mischbauweisen, d.h. die Kombination artfremder Werkstoffe,
bringt auch Schwierigkeiten mit sich. So kommt es beim Einsatz von gefügten Mischverbindungen
aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügeteile
während der Fertigung und bei einer betriebsbedingten oder umgebungsbedingten Temperaturänderung
zu so genannten Relativverschiebungen der Fügepartner zueinander. Dieses als
∆α−Problematik bezeichnete Phänomen führt im Falle der Klebverbindung zu Gleitungen in
der Klebschicht und damit auch über das spezifische Werkstoffverhalten des Klebstoffes zu
Spannungen in der Klebschicht. Diesen Spannungen überlagert sich eine vom Klebstoffsystem
abhängige mehr oder weniger große Änderung der Materialeigenschaften, wie zum
Beispiel den Schubmodul, der Schubfestigkeit und der Bruchgleitung mit einer Temperaturänderung.
Dieser komplexe Beanspruchungszustand der Klebschicht führt gerade bei einer
zyklischen Temperaturwechselbelastung zu Änderungen des Langzeitverhaltens der geklebten
Mischverbindung. Die Auswirkungen dieser Beanspruchung auf Mischverbindungen zu
untersuchen, ist Inhalt dieses Forschungsvorhabens gewesen.

2 Stand der Technik 2
2 Stand der Technik
Das Kleben, als eines der ältesten Fügeverfahren, wurde erst in diesem Jahrhundert zu einer
industriell nutzbaren Fügetechnologie weiterentwickelt. Ausschlaggebend dafür war die
Entwicklung synthetischer Produkte, die als Grundsubstanzen in Klebverbindungen die bis
dahin bekannten natürlichen Klebstoffe ersetzen konnten. Obwohl sich die Klebtechnik als
Fügeverfahren in vielen Bereichen, zum Beispiel in der Automobil- und Luftfahrtindustrie,
etabliert hat, sind noch viele Fragen auf diesem Gebiet nicht vollständig geklärt. Dies liegt
unter anderem an der Komplexität der beim Kleben zu berücksichtigenden Randbedingungen,
die durch die Kombination nahezu beliebiger Fügeteilwerkstoffe gegeben ist. Hinzu kommt
eine Vielzahl unterschiedlicher Klebstoffe mit differierenden Adhäsionsmechanismen, Abbindebedingungen
und mechanischer Eigenschaften, die wiederum von Fertigungsbedingungen
und den Fügeteilwerkstoffen mitbestimmt werden [Hah94].
Die Ermittlung sowie die qualitative und quantitative Beschreibung des Einflusses von konstruktiven
und fertigungstechnischen Parametern von Klebverbindungen auf das Eigenschaftsverhalten
von Metallklebungen sind Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten
[Ada03, Bro90, Chu95, Hah88, Kin83, Kno00-1, Kno00-2, Lia03, Loh02-1, Loh02-2, Mat89,
Sun90, Sch99, Ver02]. Bei diesen Forschungsarbeiten wurde deutlich, dass die mechanischen
Eigenschaften einer Klebverbindung durch zahlreiche, untereinander in Wechselwirkung
stehenden Faktoren geprägt werden.
Einige dieser Faktoren sind zum Beispiel der Oberflächenzustand der Fügeteile, der maßgeblich
die Haftmechanismen zwischen Klebstoff und Fügeteil beeinflusst, das deformationsmechanische
Klebstoffverhalten sowie das Festigkeits- und Verformungsverhalten der Fügeteile.
Des Weiteren spielen auch die Abbindebedingungen eine wichtige Rolle. Bei Klebverbindungen
in Mischbauweise kann es zum Beispiel bei einer Warmaushärtung des Klebstoffsystems
zu einem Eigenspannungsaufbau durch Relativverschiebungen und dadurch zu Schädigungen
in der Klebschicht kommen [Hah97].
Häufig werden Klebverbindungen im Betrieb einer Temperaturbelastung und einer überlagerten
mechanischen und klimatischen Beanspruchung ausgesetzt. Diese Belastungen können
sowohl die Klebschicht selbst schädigen, das heißt die Kohäsionseigenschaften des Klebstoffes
herabsetzen, als auch die Grenzfläche zwischen Klebstoff und Fügeteil schwächen.
2.1 Haftungsmechanismen zwischen Klebstoff und Fügeteil
Die Haftung zwischen den Fügeteilen und der Klebschicht beruht sowohl auf chemischen als
auch auf physikalischen Wechselwirkungen. Nach [Com90, Kin80, Wak78] gibt es sechs
verschiedene Theorien für die Haftung zwischen Klebstoff und Fügeteil. Die drei wichtigsten
sind im Folgenden kurz erläutert. Auf die Elektrostatische Theorie und die Diffusionstheorie
sowie die „weak boundary theory“ wird im Einzelnen nicht weiter eingegangen. Es ist aber
vorab zu sagen, dass nicht jede Theorie für sich alleine steht, sondern dass es je nach Anwendung
der Klebtechnik zu weitreichenden Überlagerungen der verschiedenen Effekte kommen
kann.

2 Stand der Technik 3
Die Theorie von der mechanischen Verankerung geht von Unebenheiten in der Oberfläche
des Fügepartners aus, in die der unausgehärtete Klebstoff eindringt, dort aushärtet und so eine
feste Verbindung zwischen der Klebstoffsubstanzmasse und dem Fügeteil ausbildet.
Unter chemischer Klebtheorie versteht man, dass sich starke kovalente- und ionische- Bindungen
an der Grenzfläche bilden und für eine gute Adhäsionsfestigkeit sorgen.
Als letztes soll noch die Theorie von der physikalischen Annäherung erwähnt werden. Sie
geht davon aus, dass bei einer starken Annäherung der Moleküle in der Grenzschicht es zur
Ausbildung von van der Waals Kräften kommt, die für die adhäsive Festigkeit sorgen.
In [Kin83] wird aber darauf hingewiesen, dass die Theorie der mechanischen Verankerung
nicht immer anwendbar ist, da es sich auch gezeigt hat, dass sehr glatte Oberflächen auch
teilweise gut zu verkleben sind. Es wird schließlich die Schlussfolgerung gezogen, dass die
Kombination aus chemischer und physikalischer Theorie als die am meisten akzeptierte und
anerkannte gilt. Es wird aber auch darauf hingewiesen, dass der Effekt der Grenzflächenhaftung
noch nicht vollständig geklärt und verstanden ist.
Die Kräfte, die eine Verbindung der Fügeteiloberfläche mit der Klebschicht bewirken, werden
als Adhäsionskräfte bezeichnet, die Kräfte, die für die Festigkeit der Klebschicht verantwortlich
sind als Kohäsionskräfte.
Damit physikalische und chemische Bindungen in ausreichendem Maße entstehen können,
muss der Klebstoff vor der Aushärtung in einem niedrig viskosen Zustand vorliegen. Die
Oberflächenspannung der Fügeteile sollte deutlich höher sein als die des Klebstoffes, um eine
befriedigende Benetzung der Fügeteiloberfläche zu gewährleisten [Pot78, Mic71]. Bei metallischen
Fügeteilen ist dies weitgehend gewährleistet. Kunststoffe haben hingegen eine Oberflächenspannung
in der Größenordnung der Klebstoffe und lassen sich daher vergleichsweise
schwer benetzen. Darüber hinaus muss eine ausreichende chemische Reaktivität der Fügeteiloberfläche
sowie des Klebstoffes vorhanden sein. Reaktionsklebstoffe, die im unvernetzten
Zustand aufgetragen werden, erfüllen weitestgehend diese Anforderungen.
Aufgrund der Vielzahl möglicher Faktoren, die die Adhäsionsvorgänge beeinflussen, sowie
die Tatsache, dass die Grenzschicht zwischen Fügeteil und Klebstoff messtechnisch zerstörungsfrei
kaum zugänglich ist, existiert bis heute keine geschlossene Interpretation der durch
Kleben erreichbaren Verbundfestigkeit und der dabei maßgeblich beteiligten Adhäsionsmechanismen.
In vielen Adhäsionstheorien werden deshalb Einflussfaktoren (z.B. die Beschaffenheit
der Fügeteiloberfläche) vereinfacht. Unter der Voraussetzung, dass eine qualitative
Betrachtungsweise ausreicht, eignen sich die vorhandenen Adhäsionstheorien jedoch trotzdem
zur Erläuterung experimentell ermittelter Haftfestigkeiten.
Das Eigenschaftsprofil einer Klebverbindung wird aber nicht nur durch die adhäsionsbeschreibende
Grenzflächenschicht, sondern vor allem auch durch die eigentliche Klebschicht
bestimmt. Unter der Voraussetzung, dass die Adhäsionsfestigkeit der Verbindung ausreichend
groß ist, werden die mechanischen und physikalischen Eigenschaften einer Klebverbindung
maßgeblich durch die Klebschicht geprägt.