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Materialmix in Blech

Checken Sie in fünf Schritten ihre Fließloch-Schraubverbindung

| Redakteur: Peter Königsreuther

Das Fließlochschrauben ist eine gute Wahl, wenn es um die Verbindung verschiedener Werkstoffe geht, sagt Atlas Copco. Dieser Leitfaden zeigt, was man beherzigen sollte, damit dabei nichts schief geht.

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Das Fließlochschrauben ist eine produktive Möglichkeit, um prozesssichere Verbindungen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen im Materialmix zu erhalten. Altas Copco merkt an, dass dieser Fügeprozess vor allem dann von Vorteil ist, wenn die Schraubstelle nur einseitig erreichbar ist.
Das Fließlochschrauben ist eine produktive Möglichkeit, um prozesssichere Verbindungen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen im Materialmix zu erhalten. Altas Copco merkt an, dass dieser Fügeprozess vor allem dann von Vorteil ist, wenn die Schraubstelle nur einseitig erreichbar ist.
(Bild: Atlas Copco)

Die Automobilindustrie zählt zu den Anwendern der Fließlochschraube, die dann punktet, wenn die Schraubstelle nur von einer Seite zu erreichen ist, wie Atlas Copco erklärt. Experten des Unternehmens führen im Folgenden in fünf Steps aus, wie die Qualität einer Fließloch-Schraubverbindung überprüft werden kann.

1. Kontrollieren Sie die Beschichtung des Fügeelements:

Zum Schutz vor Korrosion sind die Fügeelemente gleichmäßig mit Zink-Nickel oder Zinklamellen beschichtet, so Atlas Copco. Ist diese Beschichtung beschädigt, droht Korrosion. Deshalb sollte man die Fügeelemente vor der Montage stets auf eine gleichmäßige Beschichtung hin begutachten, um das Problem im Vorfeld zu vermeiden, betonen die Spezialisten.

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2. Sitzt der Schraubenkopf an der richtigen Stelle?

Die Position des Schraubenkopfes kann die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Verbindung stark beeinflussen, so Atlas Copco. Werde der Schraubenkopf falsch angesetzt, könnten sich die zu montierenden Teile während des Fügens verschieben und die Verbindung geschwächt werden. Bei der Überprüfung der Schraubenkopfposition unterscheidet man aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen sogenannten Prozesspunkten und Festigkeitspunkten, heißt es:

Zum Thema Prozesspunkte: Das sind Befestigungspunkte ohne strukturrelevante Eigenschaften, die nur zur Stabilisierung verwendet werden, wie die Experten erklären. An diesen Punkten wird oft in Kombination mit Strukturklebstoffen gearbeitet und so sichergestellt, dass die Bauteile sicher fixiert sind, bis der Klebstoff voll ausgehärtet ist. Die Verbindungsqualität von Prozesspunkten ist in Ordnung, wenn:

  • das Fügeelement eine vollständige Kopfauflage erreicht;
  • das Fügeelement eine einseitige Kopfauflage erreicht und die erzeugte Vorspannkraft die Bauteile ordnungsgemäß zusammenhält.

Bei der Qualität hapert es aber, wenn das Fügeelement keine Kopfauflage erreicht! Ist das der Fall, so kann es an der Drehzahl liegen, die falsch eingestellt wurde oder das Drehmoment beim Schrauben ist zu gering, sagt Atlas Copco, und rät dazu zunächst die Drehzahl beim Gewindeformen zu checken. Sollte diese zu niedrig sein, wird das Solldrehmoment für diesen Prozess überschritten, die Steuerung bricht den Prozess ab und meldet einen Fehler. Die Verbindung ist unvollständig ausgeführt.

Nun zu den sogenannten Festigkeitspunkten. Sie sind für die Stabilität der Gesamtkonstruktion maßgebend, heißt es. Im Falle des Karosseriebaus gebe es davon sehr viele, die sich speziell am Unterboden, im Vorderwagen, in der Aufprallzone sow am Karosseriegerippe befänden. Korrekt ausgeführt ist eine Verbindung an einem Festigkeitspunkt, wenn die Schraube die volle Kopfauflage erreicht. Liegt sie nur einseitig oder gar nicht auf, gibt es ein Problem, so Atlas Copco. Mehrer Fehlerquellen können die Ursache sein:

  • Der Roboter ist falsch positioniert;
  • Die Bauteile klemmen;
  • Die Passung der Bauteile stimmt nicht;
  • Die Parameter beim Durchzug, beim Gewindeformen und beim Endanzug sind falsch.

Hier die Erklärungen: Wenn der Roboter das Werkzeug nicht exakt senkrecht an die zu verbindenden Flächen führe, dringe das Fügeelement schräg – und damit nicht ordnungsgemäß – in die Baugruppe ein. Die Verbindung ist geschwächt und anfälliger für Korrosion. Zur Lösung gilt es den Annäherungswinkel des Roboters entsprechend zu verändern.

Wenn Karosserieteile nicht fest genug eingespannt oder gegen Bewegung abgestützt werden, kann es während des Fließlochschraubens durch hohe Druckbelastungen zu einer einseitigen Kopfauflage und somit zu einer fehlerhaften Verbindung kommen, heißt es weiter.

Passten die zu fügenden Komponenten nicht spaltenlos aufeinander, verändere sich der Fügewinkel, sodass die Kopfauflage der Schraube nur einseitig oder gar nicht erreicht werde.

Auch eine falsche Drehzahl während des Prozessschrittes Gewindeformen kann verhindern, dass die Schraube die Kopfauflage erreicht, sagt Atlas Copco. Ist die Drehzahl eben wieder zu gering, kann ein höheres Gewindedrehmoment die Folge sein. Die Systemsteuerung stoppt den Vorgang, wie bereits erwähnt, um das Bauteil vor weiteren Schäden zu schützen. Ein weiteres Problem, das zu einer unzureichenden Verbindung führen kann, ist das Nichterreichen des Endanzugmoments. Dann, erklären die Experten, kann das Fügeelement im letzten Verfahrensschritt nicht ausreichend angezogen werden.

3. Deckt der Schraubenkopf die Durchgangsbohrung ab?

Das Fließlochschrauben erfordert in der Regel keine Vorbohrung im Obermaterial. Ausnahmen gebe es bei sehr dicken Teilen, Gusskomponenten oder bei komplexen Materialkombinationen sowie speziellen Fügeanforderungen, wie beispielsweise in pucto Wärmeleitfähigkeit. In solchen Fällen wird auch vorgebohrt., heißt es. Dabei hat das Fügeelement die zusätzliche Aufgabe, die Durchgangsbohrung abzudecken und so zu schützen.

Verbindungen ohne Vorbohrung widerstehen Korrosionsgefahren in der Regel besser als solche mit Vorbohrung, betont Atlas Copco. Denn bei diesen könne Feuchtigkeit leichter unter den Kopf des Fügeelements und in und zwischen die Schichten der zu verbindenden Materialien gelangen. Strukturklebstoffe und Dichtstoffe sorgen in diesem Fall für Stabilität und Korrosionsschutz.

Ist die Vorbohrung außerdem nicht vollständig durch das Fügeelement abgedeckt, sollten die Roboterprogrammierung und der Durchmesser der Vorbohrung überprüft werden.

4. Ist auch alles Spaltfrei gefügt?

Die Qualität einer Verbindung hängt auch von der Passform der Materialien ab. Spalte zwischen den Schichten können Korrosion oder Luftblasen verursachen, den Klebstoff aufbrechen und die Festigkeitseigenschaften beeinträchtigen, sagt Atlas Copco, und rät dazu, die Materialstärke sowie das Drehmoment und die Drehzahl beim Durchbohren des Materials zu überprüfen: Wenn der Toleranzbereich der Materialstärke überschritten werde, sei der Reibwiderstand höher und mehr „Kraft“ (eigentlich: ein Zusammenspiel aus Drehzahl und Kraft) sei nötig, um das Material zu erwärmen.

Manchmal verbessert eine kleine Anpassung der Montageparameter die Verbindungsqualität, heißt es dazu. Bei der Programmierung der Schraubparameter für Multimaterialverbindungen, insbesondere des Drehmoments für den letzten Verfahrensschritt, sollte man die individuellen Anforderungen der einzelnen Materialschichten berücksichtigen.

Ist die Drehzahl beim ersten Verfahrensschritt zu hoch, wird das Material zu heiß, erklärt Atlas Copco. Beim Durchzugformen schiebt das Fügeelement das Material zwischen die Schichten, sodass zwischen diesen ein Spalt entsteht. Auch eine zu geringe Drehzahl könne ein korrektes Fließen der Materialschichten verhindern.

5. Sitzt das Fügeelement gut fest?

Vor der Freigabe der Verbindung sollten Sie die Festigkeit des Fügeelements noch von Hand überprüfen: Bei dieser manuellen Kontrolle steht das „Losbrechmoment“ auf dem Prüfstand. Wenn Sie die Schraube gegen den Uhrzeigersinn drehen können, ist im Prozess etwas schiefgelaufen. Die Verbindung muss als defekt eingestuft werden.

Die fehlende Festigkeit kann mehrere Ursachen haben. Möglich ist, dass das Drehmoment für den Endanzug zu hoch eingestellt wurde. Das Gewinde wird abgeschält und beschädigt die Nabe. Dies kann auch auftreten, wenn versehentlich Klebstoff in die Verbindung eindringt und das Verfahren „schmiert“, was zu Drehmoment-Überschreitungen führen kann.

Wenn der Klebstoff direkt unter dem Fügeelement platziert wird, senkt das die Reibung. Die Schraube überdreht und lockert sich. Bei Verbindungen ohne Vorbohrung kommt dies allerdings selten vor.

Auch können Dicke und Materialhärte von Gussteilen, die in der Montage verwendet werden, variieren. Dies kann dazu führen, dass das voreingestellte Drehmoment zu niedrig und die Verbindung somit unzureichend ist.

Das Fazit:

Anhand dieser fünf Schritte kann also die Qualität von Fließlochschraubverbindungen während und nach der Produktion visuell überprüft werden. Für strukturelle Verbindungen sollten die Prozessparameter natürlich schon im Vorfeld entwickelt werden, mahnt Atlas Copco. In zwölf Innovationszentren weltweit entwickeln die Experten für industrielles Fügen deshalb gemeinsam mit ihren Kunden zukunftsfähige und zuverlässige Verbindungsverfahren, damit Letztere ihre gesetzten Fertigungsziele wirtschaftlich und rascher erreichen zu können.

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