Laboruntersuchung zur Prozessstabilität beim Niet-Clinchen

Die Entwicklung des heutigen Karosseriebaus schreitet ständig voran. Widerstandspunktgeschweißte Stahlkarosserien stellen gegenwärtig noch immer den Standard in der Automobilindustrie dar. Die Weiterentwicklung zu hochfesten Stahlsorten ermöglicht eine erste Gewichtsreduzierung. Als das immer mehr an Bedeutung gewinnende Aluminium in diesem Bereich vordrang, blieb es nicht aus, sich mit neuen Materialpaarungen wie Aluminium-Aluminium (Al-Al) und im Mischbau Aluminium-Stahl (Al-St) auseinanderzusetzen. Durch die gestiegene Anforderung im Crashtest müssen auch diese neuen Karosserien immer höhere Festigkeitskennwerte und ein besseres Energieaufnahmevermögen erreichen. Für das Fügen der neuen Werkstoffkombinationen aus Al-Al, Al-St bzw. Aluminium mit hochfestem Stahl, soll die Prozessstabilität des in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnenden Nietclinchens, aufgezeigt werden. Diese Dissertation soll die Vorteile des Verfahrens Nietclinchen gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren aufzeigen. Neue Version des Dokuments ergaenzt um Zusammenfassung und Anhang. / The development of the body in white constantly steps forward. Steel bodys joined by spot welding still are standard in the automobile industry. The advancement in the sector of high performance steel makes a reduction in weight possible. When aluminium was getting more important in this sector, it was necessary to think at new material matchings like aluminium-aluminium (Al-Al) and aluminium-steel (AL-St) in the mix construction. Because of rising requirements at crash tests, the bodys have to reach higher data for stability and energy absorption. For the joining process of new material combinations of Al-Al, Al-St and aluminium with high performance steel the operation rivet-clinching will become more important in the future. This dissertation takes a look at the process stability of the rivet-clinching and the advantages in comparison with other joining methods. New version of the document with summary and annex.

Laboruntersuchung zur Prozessstabilität beim Niet-Clinchen

In der blechverarbeitenden Industrie ist in den letzten Jahrzehnten der zunehmende Einsatz organisch bandbeschichteter Bleche zu verzeichnen. Diese so genannten Coil Coating-Werkstoffe werden derzeit vorwiegend im Baubereich für Fassaden und Innenausstattungen, für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik sowie zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt. Neuerdings sind Coil Coating-Werkstoffe verfügbar, die aus vier Schichten bestehen und vor allem den ästhetischen Anforderungen der Automobilindustrie für den Außenhautbereich entsprechen. Sie sind eines von vielen Puzzleteilen zur Komplettierung des Gesamtbildes von zukünftigen modernen Fahrzeugkonzepten wie z.B. Modulbauweisen, weil sie die teure Stückbeschichtung bei der Produktion einsparen und somit durch Wegfall von Fertigungsstufen eine Kostenreduzierung erreicht werden kann. Beim Einsatz von neuen Coil Coating-Werkstoffen mit Schichtdicken bis 100 μm ist auf eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zu achten. Die zum Fügen von Feinblechen etablierten thermischen Fügeverfahren sind aufgrund der Entstehung von Oberflächenschädigungen nicht anwendbar. Als ökonomische und technologische Fügealternative bietet sich hier das Durchsetzfügen oder Clinchen insbesondere mit der Unterstützung von Wirkmedien an. Jedoch bestehen erhebliche Kenntnisdefizite zum Clinchen organisch bandbeschichteter Feinbleche mit Gesamtschichtdicken größer als 30 μm. Handlungsbedarf resultiert aus den negativen Auswirkungen des Fügeprozesses auf die Beschichtungen und auf die qualitätsbestimmenden Eigenschaften der gefertigten Verbindung. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Erweiterung des Kenntnisstands für das schädigungsfreie Clinchen von organisch beschichteten Blechen leisten. Ziel ist es, ein Clinchverfahren zu entwickeln, das organisch endbeschichtetes Feinblech bei guter Verbindungsfestigkeit schädigungsfrei fügt. Hierzu sind folgende Punkte erarbeitet worden: -In einem ersten Schritt wurde der Stand der Technik zu Coil Coating-Werkstoffen und die Problemstellung beim Clinchen von vorbeschichteten Blechen. -Im nächsten Schritt sind als Ausgangssituation der Arbeit Referenzwerte zur Lackschädigung beim Clinchen von endlackierten Blechen mit konventionellen Clinchwerkzeugen erarbeitet worden. Es zeigt sich, dass mit konventionellen Clinchverfahren Verbindungen mit akzeptabler Festigkeit und guter ästhetischer Erscheinung nicht herstellbar sind. -Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden neue Ansätze zum schädigungsfreien Clinchen vorgestellt, die auf wirkmedienunterstützte Umformverfahren basieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von lokalen Dehnungen und der Reibung während des Clinchens sowie auf der Verbesserung des Werkstoffflusses durch die Minimierung des Werkzeug-Werkstoffkontaktes. Die vorgestellten Lösungsansätze zu Änderungen an der Werkzeuggeometrie und am Clinchverfahren selbst durch den Einsatz von elastischen und flüssigen Wirkmedien werden begleitend mit der Finite-Elemente-Simulation überprüft. -In weiteren praktischen Untersuchungen an einer neu entwickelten Versuchsanlage sind die numerischen Ergebnisse verifiziert worden. Das Clinchen mit flüssigen Wirkmedien zeigt sich dabei als ein gut geeignetes Verfahren zum Fügen mit akzeptabler und deutlich reduzierter Lackschädigung bei guter Verbindungsfestigkeit. -Die Kenntnis von Dehnungszuständen und deren Vergleich mit den sichtbaren Schädigungen auf den Oberflächen ermöglichen die Erschließung der Vorteile aus der Kombination von hydraulischer Tiefung und dem mechanischen Stauchen. In der vorliegenden Arbeit sind neue Lösungsansätze zum Clinchen von Coil Coating-Werkstoffen mit geringsten Oberflächenschädigungen unter Verwendung von Wirkmedien vorgestellt und erläutert worden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Möglichkeit auf, Coil Coating-Werkstoffe schädigungsarm und prozesssicher zu fügen. Die Lösungsansätze und Erkenntnisse dieser Arbeit sollen die Generierung von neuen Perspektiven für die Anwendung von Coil Coating-Werkstoffen unterstützen. Das Ergebnis lässt erwarten, dass in Zukunft neue Schritte auf dem Weg zum Einsatz von endlackiertem getätigt werden können, weil ein sicheres und robustes Fügeverfahren für die Produktion zur Verfügung gestellt werden kann.

Die Entwicklung des heutigen Karosseriebaus schreitet ständig voran. Widerstandspunktgeschweißte Stahlkarosserien stellen gegenwärtig noch immer den Standard in der Automobilindustrie dar. Die Weiterentwicklung zu hochfesten Stahlsorten ermöglicht eine erste Gewichtsreduzierung. Als das immer mehr an Bedeutung gewinnende Aluminium in diesem Bereich vordrang, blieb es nicht aus, sich mit neuen Materialpaarungen wie Aluminium-Aluminium (Al-Al) und im Mischbau Aluminium-Stahl (Al-St) auseinanderzusetzen. Durch die gestiegene Anforderung im Crashtest müssen auch diese neuen Karosserien immer höhere Festigkeitskennwerte und ein besseres Energieaufnahmevermögen erreichen. Für das Fügen der neuen Werkstoffkombinationen aus Al-Al, Al-St bzw. Aluminium mit hochfestem Stahl, soll die Prozessstabilität des in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnenden Nietclinchens, aufgezeigt werden. Diese Dissertation soll die Vorteile des Verfahrens Nietclinchen gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren aufzeigen. Neue Version des Dokuments ergaenzt um Zusammenfassung und Anhang. / The development of the body in white constantly steps forward. Steel bodys joined by spot welding still are standard in the automobile industry. The advancement in the sector of high performance steel makes a reduction in weight possible. When aluminium was getting more important in this sector, it was necessary to think at new material matchings like aluminium-aluminium (Al-Al) and aluminium-steel (AL-St) in the mix construction. Because of rising requirements at crash tests, the bodys have to reach higher data for stability and energy absorption. For the joining process of new material combinations of Al-Al, Al-St and aluminium with high performance steel the operation rivet-clinching will become more important in the future. This dissertation takes a look at the process stability of the rivet-clinching and the advantages in comparison with other joining methods. New version of the document with summary and annex.

In der blechverarbeitenden Industrie ist in den letzten Jahrzehnten der zunehmende Einsatz organisch bandbeschichteter Bleche zu verzeichnen. Diese so genannten Coil Coating-Werkstoffe werden derzeit vorwiegend im Baubereich für Fassaden und Innenausstattungen, für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik sowie zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt. Neuerdings sind Coil Coating-Werkstoffe verfügbar, die aus vier Schichten bestehen und vor allem den ästhetischen Anforderungen der Automobilindustrie für den Außenhautbereich entsprechen. Sie sind eines von vielen Puzzleteilen zur Komplettierung des Gesamtbildes von zukünftigen modernen Fahrzeugkonzepten wie z.B. Modulbauweisen, weil sie die teure Stückbeschichtung bei der Produktion einsparen und somit durch Wegfall von Fertigungsstufen eine Kostenreduzierung erreicht werden kann. Beim Einsatz von neuen Coil Coating-Werkstoffen mit Schichtdicken bis 100 μm ist auf eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zu achten. Die zum Fügen von Feinblechen etablierten thermischen Fügeverfahren sind aufgrund der Entstehung von Oberflächenschädigungen nicht anwendbar. Als ökonomische und technologische Fügealternative bietet sich hier das Durchsetzfügen oder Clinchen insbesondere mit der Unterstützung von Wirkmedien an. Jedoch bestehen erhebliche Kenntnisdefizite zum Clinchen organisch bandbeschichteter Feinbleche mit Gesamtschichtdicken größer als 30 μm. Handlungsbedarf resultiert aus den negativen Auswirkungen des Fügeprozesses auf die Beschichtungen und auf die qualitätsbestimmenden Eigenschaften der gefertigten Verbindung. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Erweiterung des Kenntnisstands für das schädigungsfreie Clinchen von organisch beschichteten Blechen leisten. Ziel ist es, ein Clinchverfahren zu entwickeln, das organisch endbeschichtetes Feinblech bei guter Verbindungsfestigkeit schädigungsfrei fügt. Hierzu sind folgende Punkte erarbeitet worden: -In einem ersten Schritt wurde der Stand der Technik zu Coil Coating-Werkstoffen und die Problemstellung beim Clinchen von vorbeschichteten Blechen. -Im nächsten Schritt sind als Ausgangssituation der Arbeit Referenzwerte zur Lackschädigung beim Clinchen von endlackierten Blechen mit konventionellen Clinchwerkzeugen erarbeitet worden. Es zeigt sich, dass mit konventionellen Clinchverfahren Verbindungen mit akzeptabler Festigkeit und guter ästhetischer Erscheinung nicht herstellbar sind. -Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden neue Ansätze zum schädigungsfreien Clinchen vorgestellt, die auf wirkmedienunterstützte Umformverfahren basieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von lokalen Dehnungen und der Reibung während des Clinchens sowie auf der Verbesserung des Werkstoffflusses durch die Minimierung des Werkzeug-Werkstoffkontaktes. Die vorgestellten Lösungsansätze zu Änderungen an der Werkzeuggeometrie und am Clinchverfahren selbst durch den Einsatz von elastischen und flüssigen Wirkmedien werden begleitend mit der Finite-Elemente-Simulation überprüft. -In weiteren praktischen Untersuchungen an einer neu entwickelten Versuchsanlage sind die numerischen Ergebnisse verifiziert worden. Das Clinchen mit flüssigen Wirkmedien zeigt sich dabei als ein gut geeignetes Verfahren zum Fügen mit akzeptabler und deutlich reduzierter Lackschädigung bei guter Verbindungsfestigkeit. -Die Kenntnis von Dehnungszuständen und deren Vergleich mit den sichtbaren Schädigungen auf den Oberflächen ermöglichen die Erschließung der Vorteile aus der Kombination von hydraulischer Tiefung und dem mechanischen Stauchen. In der vorliegenden Arbeit sind neue Lösungsansätze zum Clinchen von Coil Coating-Werkstoffen mit geringsten Oberflächenschädigungen unter Verwendung von Wirkmedien vorgestellt und erläutert worden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Möglichkeit auf, Coil Coating-Werkstoffe schädigungsarm und prozesssicher zu fügen. Die Lösungsansätze und Erkenntnisse dieser Arbeit sollen die Generierung von neuen Perspektiven für die Anwendung von Coil Coating-Werkstoffen unterstützen. Das Ergebnis lässt erwarten, dass in Zukunft neue Schritte auf dem Weg zum Einsatz von endlackiertem getätigt werden können, weil ein sicheres und robustes Fügeverfahren für die Produktion zur Verfügung gestellt werden kann.

In this paper, a study based on experimental and numerical simulations is performed to analyze fatigue cracks in clinched joints. An experimental investigation is conducted to determine the failure modes of clinched joints under cyclic loading at different load amplitudes with single-lap shear tests. In addition, numerical FEM simulations of clinching process and subsequent shear loading are performed to support the experimental investigations by analyzing the state of stresses at the location of failure. An attempt is made to explain the location of crack initiation in the experiments using evaluation variables such as contact shear stress and maximum principal stress.

Clinching is a joining process that is becoming more and more important in industry due to the increasing use of multimaterial designs. Despite the already widespread use of the process, there is still a need for research to understand the mechanisms and design of clinched joints. In contrast to the tool parameters, process and material disturbances have not yet been investigated to a relatively large extent. However, these also have a great influence on the properties and applicability of clinching. The effect of process disturbances on the clinched joint are investigated with numerical and experimental methods. The investigated process variations are the history of the sheets using the pre-hardening of the material, different sheet thicknesses, sheet arrangements and punch strokes. For the consideration of the material history, a specimen geometry for pre-stretching specimens in uniaxial tension is used, from which the pre-stretched secondary specimens are taken. A finite element model is set up for the numerical investigations. Suitable clinching tools are selected. With the simulation, selected process influences can be examined. The effort of the numerical investigations is considerably reduced with the help of a statistical experimental design according to Taguchi. To confirm the simulation results, experimental investigations of the clinch point geometry by using micrographs and the shear strength of the clinched joint are performed. The analysis of the influence of difference disturbance factors on the clinching process demonstrate the importance of the holistic view of the clinching process.