Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESfFALEN
Nr. 3127 / Fachgruppe Umwelt/Verkehr
Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dipl. -lng. p. Benoit Vezin
Prof. Dr. -lng. Ortwin Hahn
Dipl. -lng. Klaus G. Schmitt
Laboratorium fflr Werkstoff- und Fflgetechnik
UniversiUl.t - Gesamthochschule - Paderborn
Untersuchungen zum Fiigen
von Befestigungselementen
auf k6rperschalldampfende
Verbundelemente aus Aluminium
Westdeutscher Verlag 1982
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Vezin, P. Benoit:
Untersuchungen zum Ftigen von Befestigungsele
menten auf korperschalldampfende Verbundele
mente aus Aluminium / P. Benoit Vezin ; Ortwin
Hahn ; Klaus G. Schmitt. - Opladen : Vest
deutscher Verlag, 1982.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. )127 : Fachgruppe Umwelt,
Verkehr)
NE: Hahn, Ortwin:; Schmitt, Klaus G.:;
Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des
Landes •••
ISBN 978-3-531-03127-9 ISBN 978-3-322-87709-3 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-322-87709-3
e 1982 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
Druck und buchbinderische Verarbe-itung:
Lengericher Handelsdruckerei. 4540 Lengerich
- III -
Inhalt
1. Einleitung und Problemstellung
2. Stand der Erkenntnisse 2
3. Aufgabenstellung 5
4. Versuchs-, MeB- und Prufeinrichtungen 6
4.1 Die BolzenschweiBanlage 7
4.2 MeBaufbau 8
4.2.1 Der Bolzenweg 9
4.2.2 SchweiBstrom und SchweiBspannung 9
4.2.3 Darnpfungsverhalten 10
4.3 Mechanisch technologische Prufungen von 11
BolzenschweiBverbindungen
4.3.1 Biegeversuch 11
4.3.2 Zugversuch 12
4.3.3 Metallografische Prufung 12
4.3.4 Salzspruhtest 12
5. Versuchswerkstoffe 13
5.1 Gewindebolzen 13
5.2 Grundbleche 14
5.3 Vorbehandlungsverfahren 14
5.4 Korperschalldarnpfende Verbundelemente 15
6. BolzenschweiBen mit Spitzenzundung auf 16
Grundbleche aus Aluminium
6.1 Untersuchungen zum FugeprozeBablauf 16
6.1.1 Auswirkungen technischer EinfluBgroBen auf 19
den FugeprozeBablauf und das Fugeergebnis
6.1.2 Bedeutung der verschiedenen FugeprozeBablaufe 25
fUr das Fugeergebnis von BolzenschweiBverbin
dungen an AluminiumdUnnbandern
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6.2 Technologische MaBnahmen zur Verbesserung 30
der Repreduzierbarkeit des FtigeprozeBab-
laufes
6.2.1 BolzenschweiBen unter definierten atmos- 30
ph~rischen Bedingungen
6.2.2 BolzenschweiBen mit ver~nderter Ztind 32
spitzengeometrie
6.3 BolzenschweiBen auf lackbeschichtete 34
Aluminiumbleche
6.4 Alterung im Salzsprtihtest 40
7. BolzenschweiBen mit Spitzenztindung auf k5r 41
perschalld~pfende Verbundelemente
7.1 Das BolzenschweiBen mit Spitzenztindung auf 41
das Tragerband k5rperschalld~pfender Ver
bundelemente
7.2 Das BolzenschweiBen mit SpitzenzUndung auf 42
die dtinne Abdeckplatte k5rperschalld~pfen
der Verbundelemente
7.3 Auswirkungen von BolzenschweiBverbindungen 47
auf das D~pfungsverhalten k5rperschall
d~pfender Verbundelemente
8. Zusammenfassung 49
9. Literatur 53
10. Anhang 57
- v -
Formelzeichen
2
Az mm FUiche
C mF Kapazitlit
d, dz mm Dicke
F N Kraft
f Hz Frequenz
2
9 m/s Beschleunigung
I A Strom
L jJH Induktivitlit
1, lz mm Ll:i.nge
m 9 Masse
p N/mm2 Druck
R n Widerstand
Rm N/mm2 Zugfestigkeit
S mm Weg
s N Standardabweichung
t, to' t" t 2, tL, tv jJS Zeit
U, UL, Uo' Ua V Spannung
v m/s Geschwindigkeit
(I) mm Durchmesser
t:, Differenz
- 1 -
1. Einleitung und Problemstellung
Der Schall als KommunikationstrAger zwischen den Mitmenschen
und der Umwelt ist unentbehrlich. Bereiche unserer Arbeits
und Lebenswelt sind von einer Technik gepragt, in der Schall
zu LArm entartet und somit nicht mehr als TrAger der Ver
stAndigung dominieren kann. Nun ist LArm nicht nur lastig
sondern auch gesundheitsgefahrdend. Seine Auswirkungen auf
den Menschen k6nnen zu bleibenden SchAden wie z.B. Schwer
horigkeit fUhren.
Dem guten Willen, Belastigungen sowie gesundheitliche Scha
digungen zu vermeiden, steht jedoch die Komplexitat des Pro
blemes Larm gegenUber. Zwei verschiedene Moglichkeiten des
Larmschutzes bzw. der Larmbekampfung bieten sich an. Eine
direkte Abschirmung des Ohres vom Larm schUtzt zwar den
Menschen vor zu hoher Larmeinwirkung, isoliert ihn aber auch
akustisch von seiner Umwelt, so daB er am Informationstrager
Schall nicht mehr teilhaben kann. Erstrebenswerter als die
ser direkte Geh6rschutz sind MaBnahmen zur Larmminderung,
die das Entstehen von Larm an der Gerauschquelle selbst weit
gehend eliminieren oder die zur akustischen Isolierung der
Larmquelle von der Umwelt fUhren.
Bier hat die Entwicklung von korperschalldampfenden Verbund
elementen aus Aluminium bzw. Stahl einen wesentlichen Fort
schritt zu einer effektiven Larmbekampfung gebracht. Diese
neuen Bauelemente ermoglichen eine kombinierte Luft- und
Korperschalldammung sowie -dampfung.
Dabei ergibt sich das Problem auf korperschalldampfende Ver
bundelemente Befestigungselemente zu fUgen, die eine kosten
gUnstige Verbindung der Verbundelemente untereinander bzw.
mit der Larmquelle gewahrleisten. Neben den mechanischen Flige
verfahren wie Falzen, Klammern, Verbinden mit Krallen und
Federn, Nieten sowie Schrauben wird teilweise auch das Kleben
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als ein FUgeverfahren zum Befestigen korperschalldampfender
Verbundelemente eingesetzt. Diese Fligeverfahren sind aller
dings teilweise mit mehr oder weniger groBen wirtschaftli
chen Nachteilen behaftet /1/.
Von daher bietet sich das BolzenschweiBen mit Spitzenzlindung
als ein geeignetes Fligeverfahren an, Befestigungselemente
schnell und wirtschaftlich auf korperschalldampfende Verbund
elemente zu fligen /2/.
2. Stand der Erkenntnisse
Das BolzenschweiBen mit Spitzenzlindung gehort zur Gruppe der
LichtbogenpreBschweiBverfahren. Durch einen kombinierten Ein
satz mechanischer und elektrischer Energie wird das Erstel
len einer Fligeverbindung gewahrleistet. Die elektrische Ener
gie wird von einer Kondensatorbatterie zur VerfUgung gestellt.
Sie bewirkt die Bildung eines Lichtbogens sowie das Schmelzen
des Bolzenflansch- beziehungsweise Bauteilwerkstoffes im un
mittelbaren Fligebereich. Die eingebrachte mechanische Energie
kontrolliert liber die Bolzenbewegung die zeitliche Dauer der
Lichtbogenbrennphase und ermoglicht ein den FligeprozeB ab
schlieBendes Zusammenpressen der geschmolzenen FUgeteile.
W. Welz /3/ berichtet liber Untersuchungen zum Bolzenschwei
Ben nach dem Kondensatorenentladungsverfahren. Ausgehend von
einer Interpretation oszillografisch aufgezeichneter Verlau
fe des Schwe1Bstromes, der Lichtbogenspannung und des Bolzen
weges weist er darauf hin, daB bei allen SchweiBarbeiten im
Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Fligeergebnisse ein
genauer und gleichmaBiger Zlindeinsatz erfolgen solI. Dieses
wird durch eine Zlindspitze erreicht, die nach Kontakt mit
dem Werkstlick schmilzt und somit den Lichtbogen zlindet. Da
neben treten SchweiBvorgange auf, bei denen die Zlindspitze
keine intensive Berlihrung mit dem WerkstUck hat und der Licht
bogen sehr schnell eingeleitet wird. Zur Belegung der Glite
"'
von BolzenschweiBverbindungen fUhrt W. Welz mechanisch tech-
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nologische Prtifungen durch. Die Ergebnisse belegen eine
deutliche Abh&ngigkeit der im Zugversuch ermittelten Bruch
kr&fte von den mechanischen und elektrischen Einstellpara
metern und weisen nach, da8 bei optimalen Einstellparame
tern Festigkeitswerte erreicht werden k6nnen, die durch die
Bruchfestigkeit des Bolzenwerkstoffes begr~nzt sind.
In /4/ berichtet W. Weidemann tiber m6gliche Grundwerkstoff
Bolzenkombinationen aus verschiedenen Aluminiumlegierungen.
Aufgrund der kurzen Lichtbogenbrennzeit von tl = 0,4 bis
tl = 0,6 ms ist es m6glich, Bolzen mit einem Durchmesser von
maximal ~ = 7,5 rom auf 3 mm starke Bauteile zu fugen, ohne
daB die Sichtseite des Grundwerkstoffes Schaden nimmt. Er
stellt fest, daB selbst bei konstanten Einstellparametern
zum Teil erhebliche Schwankungen der Festigkeitswerte von
BolzenschweiBverbindungen auftreten. Diese Schwankungen der
Festigkeitswerte fuhrt er auf die magnetische Blaswirkung
zuruck. Sie kann allerdings durch eine geeignete Wahl der
Bolzenplazierung auf dem Grundblech vermieden werden. Die
Ergebnisse von W. Weidemann weisen Bolzen aus A199,5 und
A1Si12 als gut geeignet aus, um an Grundblechen aus unter
schiedlichen Aluminiumlegierungen BolzenschweiBverbindungen
zu erstellen, die bei Uberbeanspruchung im Bolzenwerkstoff
und nicht in der Fugezone brechen.
Erg&nzend hierzu berichten E. Wauschkuhn und G. S6llner /5/
tiber vergleichende Untersuchungen von BolzenschweiBverbin
dungen an unplattierten und plattierten A1Mg3-Blechen. Sie
stellen fest, daB Bolzen aus dem Werkstoff A1Mg3 gefugt auf
plattierte Grundbleche im Zugversuch h6her belastbar sind
als die an unplattierten Grundblechen erstellten Bolzen
schweiBverbindungen. In fast allen Fallen erfolgt der Bruch
der BolzenschweiBverbindung in der Fugezone. Als Ursache hier
fur geben sie eine Haufung von Fehlstellen in der Fugezone
an.
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F. Eichhorn und R. Schaefer berichten in /6/ Uber grundle
gende Untersuchungen zum BolzenschweiBen mit Kondensator
entladungsenergie. Sie untersuchen die Auswirkungen der
elektrischen Einstellparameter Ladespannung und Kapazitat
der Kondensatorbatterie auf den FUgeprozeBablauf beim FUgen
von St37-Bolzen auf 2 rom starke St14-Bleche. Dabei stellen
sie fest, daB die Vorgange beim Arbeiten mit Kontakt z~i
schen Bolzen und Bauteil vor SchweiBbeginn in engen Grenzen
reproduzierbar sind. Das Arbeiten mit Luftspalt zwischen
Bolzen und Bauteil fUhrt im Gegensatz hierzu zu starkeren
Streuungen der Lichtbogenbrennzeit und zu bedeutenden Ab
weichungen im Hinblick auf den ZUndzeitpunkt. Die hierdurch
bedingten erheblichen Schwankungen der Festigkeits- bzw.
Zahigkeitseigenschaften von BolzenschweiBverbindungen lassen
dieses FUgeverfahren gegenUber dem BolzenschweiBen mit Kon
densatorentladung und gezogenem Lichtbogen als weniger ge
eignet erscheinen, um reproduzierbare FUgeergebnisse zu ge
wahrleisten.
Aufgrund der relativ hohen Lichtbogenbrennzeit von tl = 6
bis tl = 8 ms kann das BolzenschweiBen mit Kondensatorent
ladung und gezogenem Lichtbogen nicht eingesetzt werden, wenn
Befestigungselemente auf dUnne Materialien ohne mechanische
Verformung und thermische Beeinflussung der Sichtseite ge
fUgt werden sollen. H.-J. Ille /7/ berichtet in diesem Zu
sammenhang, daB das BolzenschweiBen mit SpitzenzUndung wegen
seiner geringen Warmeeinbringung auch an front- und rUcksei
tenbeschichteten Stahlblechen angewendet werden kann, ohne
daB der Schutz lack im unmittelbaren FUgebereich entfernt wer
den muB. Dabei erfolgt keine sichtbare Schadigung der Front
seitenbeschichtung, wenn eine Blechstarke von d = 0,9 rom nicht
unterschritten wird.
Bezogen auf das Erstellen von BolzenschweiBverbindungen an
beschichtetem Aluminiumband berichten H. Klock und K. Mechsner
/8/, daB infolge der hohen Warmeleitfahigkeit des Aluminiums
die Temperaturbeaufschlagung der der SchweiBung gegenUberlie
genden Frontseitenbeschichtung bei 1 rom starken Aluminium-
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blechen zu Schadigungen in Form von Blasen und Ablosungen
fUhrt. Neben der T~peraturbeeinflussung der Sichtseite
ist besonders bei dUnnen Blechen und dicken Bolzen die
mechanische Verformung der Blechforderseite zu berUcksich
tigen. Ist die SchweiBseite ebenfaiis mit einer Schutz Iack
beschichtung versehen, so bereitet das BolzenschweiBen mit
Spitzenztindung Schwierigkeiten. Aufgrund einer starken Durch
setzung des FUgebereiches mit Poren treten erhebliche Schwan
kungen der Bruchfestigkeitswerte auf.
3. Aufgabenstellung
Korperschalld~pfende Verbundelemente aus Aluminium sind
ein System geschichteter platten, wobei die Zwischenschicht
aus einem viskoelastischen Klebstoff geb1ldet wird /9/. Die
Vorteile dieser Verbundelemente liegen darin, daB sie auf
grund ihres hohen Verlustfaktors von bis zu n = 0,35 /10/
einen GroBteil der mechanischen Anregungsenergie in Warme
umsetzen und daB sie wegen ihrer guten Verformbarkeit zur
vollstandigen Einkapselung von Larmquellen eingesetzt wer
den konnen.
Neben guten Dampfungseigenschaften bieten Verbundelemente
bei entsprechender FrontseitenausfUhrung Moglichkeiten zur
dekorativen Gestaltung. Dazu ist die Tragerplatte mit einer
Dekorlackschicht versehen. Die dUnne Abdeckplatte auf der
RUckseite des Verbundelementes ist mit einer dUnnen Schutz
lackschicht versehen, um sie vor korrosiven Schadigungen zu
schUtzen. Dieser Schutz ist zur Iangfristigen Erhaltung des
Dampfungsvermogens der Verbundelemente notwendig, denn bei
asymetrisch aufgebauten Verbundelementen sind die dUnne Ab
deckplatte und die viskoelastische Klebstoffschicht haupt
verwantwortlich fUr das Dampfungsvermogen. Einige Beispiele
fUr die Anwendung korperschalldampfender Verbundelemente sind
die Ummantelung freiliegender Motoren, Kompressoren und
Turbinenanlagen, die Verkleidung von Fertigungsmaschinen
sowie der Aufbau von LUftungskanalen.
