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Umformtechnische Fügeverfahren sind bei Aluminiumwerkstoffen erste Wahl. Zum Verbinden von Blechen und Profilen aus Aluminium bieten sich eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren an. Neben den...

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Umformtechnische Fügeverfahren sind bei Aluminiumwerkstoffen erste WahlZum Verbinden von Blechen und Profilen aus Aluminium bieten sich eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren an. Neben den bekannten Methoden zum Herstellen unlösbarer Verbindungen haben sich in den letzten Jahren umformtechnische Fügeverfahren mit oder ohne Hilfsfügeteile etabliert. Diese Verfahren zum Verbinden von Werkstücken durch lokales Umformen ohne Wärmeeinwirkung weisen gegenüber den thermischen Schweißverfahren, dem konventionellen Nieten sowie dem Löten oder Kleben eine Reihe von Vorteilen auf. Industriell haben sich im Wesentlichen das Stanznieten und das Durchsetzfügen (auch Clinchen genannt) durchgesetzt.Beim Stanznieten werden die Werkstücke zwar wie beim herkömmlichen Nieten mit einem Hilfsfügeteil verbunden. Die beim konventionellen Nieten notwendige Vorlochoperation wird hier jedoch durch den Niet-Schneidvorgang ersetzt. Dabei wird mit Hilfe von Werkzeugen (Stempel und Matrize) der Niet durch die zu verbindenden Werkstücke gedrückt und so eine quasiformschlüssige Verbindung hergestellt. Sie erlaubt neben der Übertragung großer Kräfte gleichzeitig die Vermeidung von Spiel und kombiniert damit die Vorteile des Formschlusses mit denen des Kraftschlusses. Auch mit dem Durchsetzfügen lassen sich zwei oder mehrere Feinbleche ausschließlich auf Basis lokaler Kaltumformung unlösbar und dauerhaft miteinander verbinden. Zu den Vorteilen dieses umweltfreundlichen Fügeverfahrens gehört die Möglichkeit, unterschiedlich dicke oder oberflächenbehandelte Bleche miteinander zu verbinden. Es eignet sich wie das Stanznieten sehr gut zum Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe oder organisch beschichteter Aluminiumbleche. Im Unterschied zum Stanznieten sind beim Durchsetzfügen keine zusätzlichen Fügeelemente erforderlich und die Oberflächen der Fügeteile bleiben weitgehend unbeschädigt. Mehrpunktverfahren verkürzt die FertigungszeitEin anderes wichtiges Argument für dieses Verfahren sind die geringen Prozesskosten. Zudem kann eine Vor- oder Nachbehandlung der Fügebereiche entfallen. Neben der Wirtschaftlichkeit - in der Praxis ergeben sich zum Beispiel gegenüber dem Punktschweißen Kostenreduzierungen von bis zu 50% - spielt auch die ökologische Verträglichkeit des Verfahrens eine große Rolle. Nicht nur, dass für die Fügeoperationen nur ein geringer Energieverbrauch benötigt wird. Es sind auch keine fertigungstechnischen Zusätze wie Kühlwasser, Gase oder Lötwerkstoffe erforderlich. Zum Tragen kommen die Vorteile des Verfahrens in erster Linie bei der Verarbeitung alternativer Werkstoffe wie Aluminium für den Leichtbau. Auf diesem Gebiet ist das Durchsetzfügen inzwischen längst eine technische und wirtschaftliche Alternative zum traditionellen Punktschweißen. In der Automobil- und Zulieferindustrie werden Bauteile wie Schiebedächer, Bremsscheibenabdeckungen (Bild 2), Sitzverstellungen, Fensterheber, Motorhauben, Kofferraumklappen oder Türen schon in vielen Fällen mittels Durchsetzfügen hergestellt. Fachleute schätzen, dass heute anwenderseitig auf die Automobilindustrie ein Anteil von rund 60% entfällt und für das Durchsetzfügen jährliche Wachstumsraten von 30 bis 40% realisierbar sind. Auch die Hersteller von Weißer Ware gehören zu den Hauptanwendern. Für das Durchsetzfügen stehen sowohl mobile handliche Geräte mit elektrischem, hydraulischem oder pneumatischem Antrieb sowie automatisch arbeitende Anlagen für die Serienfertigung zur Verfügung. Das Fügen der Bauteile ist entweder im Einzelpunkt- oder im Mehrpunktverfahren möglich. Dabei sind in einem Basiswerkzeug mehrere Durchsetzfügewerkzeuge integriert, um gleichzeitig mehrere Verbindungspunkte in einem Arbeitsschritt zu erstellen. Gegenüber dem Punktschweißen, bei dem die Roboter nur einen Schweißpunkt nach dem anderen setzen können, ergibt sich so eine deutlich kürzere Fertigungszeit. Weil Aluminium gegenüber Tiefziehstählen ein geringeres Dehnungsverhalten aufweist, liegt das Umformvermögen für den Durchsetzfügeprozess auf einem niedrigerem Niveau. Bei kaltaushärtbaren Aluminiumlegierungen führt zudem die Kaltverfestigung beim Umformen zu einer Steigerung der Festigkeit, was mit einer verringerten Umformbarkeit einher geht. Zu beachten ist ferner die Neigung zu Kaltverschweißungen an Stempel und Matrize, der sich mit Werkzeugbeschichtungen begegnen lässt. Durchsetzfügeverbindungen können als punkt-, form- und kraftschlüssige Verbindungen im Vergleich zu linienförmigen oder flächigen Verbindungen nur geringere Kräfte und Momente übertragen, weil der Kraftlinienfluss nicht gleichmäßig über die Fügenaht verteilt werden kann und in der punktförmigen Verbindung stark umgelenkt und konzentriert wird. Auch hinsichtlich der Übertragung elektrischer und thermischer Energien sind Durchsetzfügeverbindungen schlechter, weil die Leitfähigkeit hier von der Größe des Stoffkontaktes abhängt. Diese Eigenschaft lässt sich in der Praxis jedoch auch zum Vorteil nutzen, um beispielsweise bei temperaturbeanspruchten Konstruktionen wie Abgassystemen die unerwünschte Übertragung von Wärme auf andere Bauteile zu verringern.Die im Vergleich zu Widerstandspunktschweißverbindungen meist geringere statische Festigkeit von Durchsetzfügeverbindungen kann verbessert werden, indem man das Durchsetzfügen mit Stoffschlussverbindungen kombiniert. Aus der Praxis bekannt ist die Kombination mit dem Kleben. Negative Eigenschaften des Klebstoffes wie das Altern sowie deren thermische Unbeständigkeit und der erhöhte Fertigungsaufwand schränken die Vorteile dieser Kombination aber oft wieder ein. Auch eine Kombination mit dem Löten oder Schweißen kann - bei ebenfalls deutlich größerem Fertigungsaufwand - die Eigenschaften der Verbindungen verbessern. Taumelclinchen reduziert die FügekräfteAls Alternative, um die mechanischen Eigenschaften von Durchsetzfügeverbindungen aus Aluminiumwerkstoffen ohne Mehraufwand für Zusatzwerkstoffe zu verbessern, bietet sich das Kaltpressverschweißen während des Durchsetzfügens an. Bei der Kombination Durchsetzfügen und Kaltpressverschweißen lassen sich konventionelle Werkzeuge bei üblichen Prozessparametern und Fügekräften verwenden. Der bei diesen Verbindungen auftretende Spalt mit einer Breite zwischen 10 und 20 µm wird geschlossen und teilweise verschweißt. An wärmebehandelten Verbindungen lässt sich anhand des Kornwachstums über die Fügenaht beweisen, dass tatsächlich ein Stoffschluss vorhanden ist, der in den Durchsetzfügeverbindungen eine Festigkeitssteigerung um bis zu 100% bewirken kann. Der Stoffschluss der Kaltpressverschweißung verbessert neben der statischen und dynamischen Festigkeit außerdem die elektrische Leitfähigkeit und thermische Beständigkeit der kraft- und formschlüssigen Durchsetzfügeverbindung. Mit einem Verfahren, das die zum Erzeugen eines Fügepunktes notwendigen Fügekräfte verringert, kann das Anwendungsspektrum des Durchsetzfügens weiter vergrößert werden. Beim Taumelclinchen wird ein schräg gestellter, taumelnd angetriebener Stempel verwendet, der sich kreis-, rosetten- oder spiralförmig bewegt. Auf diese Weise lassen sich die notwendigen Fügekräfte je nach Werkstoff, Stempelgeometrie und Fügegeschwindigkeit um 60 bis 90% gegenüber dem konventionellen Verfahren reduzieren. Versuche haben gezeigt, dass sich mit dem Taumelclinchen beispielsweise Aluminiumbleche bis zu 4 mm Gesamtdicke mit nur 17 kN Fügekraft verbinden lassen.Die Fügekräfte verringern kann auch ein neues Antriebskonzept, bei dem mehrere, aufeinander folgende Schläge die Verbindung erzeugen. Die erforderliche Umformarbeit wird im Gegensatz zum konventionellen Durchsetzfügen in mehrere kleine Portionen aufgeteilt. Weil die Werkzeugarme hierbei mit kleineren Querschnitten auskommen, lassen sich Maschinen mit weiter ausladenden Armen realisieren. Damit sind mit dem Durchsetzfügen auch bislang nicht zugängliche Verbindungsstellen erreichbar.