Untersuchungen zum Fügen von Befestigungselementen auf körperschalldämpfende Verbundelemente aus Aluminium PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE 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 - IV - 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 - 2 - 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- - 3 - 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. - 4 - 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- - 5 - 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.
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