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4. Fügen4. Fügen

J. Evers AprilJ. Evers April 2010

Fügen - Übersicht

Fügen ist das Verbinden von mehreren Werkstücken durch Verbindungselementeoder durch einen formlosen Stoff zum Vermehren des Stoffzusammenhalts.

Der Zusammenhalt erfolgt je nach Kraftübertragung form-, kraft- oder stoffschlüssig.Die Verbindungen können lösbar oder unlösbar (beweglich oder starr) sein.

Fügen - Formschluss

Fügen – formschluss - Stiftverbindung

Stifte werden als Verbindungselement zur Lagesicherung eingesetzt.Man unterscheidet Zylinder-, Kegel- und Kerbstifte.

Fügen – formschluss - Stiftverbindung

Fp

A

Werden Stifte hoch belastet, müssen der gefährdete Querschnitt auf Abscherungund die Bohrungen auf die zulässige Flächenpressung hin untersucht werden.

Die Scherspannung errechnet sich aus der am Querschnitt wirkenden Kraft, dividiert durch den Querschnitt. Die zulässige Scherspannung erhält man aus Tabellen.

Die Flächenpressung in der Aufnahmebohrung wird berechnet aus der Kraft, dividiert durch die projizierte Fläche.

a

F

S

Fügen – formschluss - Paßfederverbindung

Paßfederverbindungen dienen der Drehmomentübertragung. Die parallelen Seitenflächen liegen in der Wellen und Nabennut an. Zwischen dem Passfederrücken und dem Nabennut-Grund ist ein Spiel vorhanden.

Man unterscheidet Form A, B und C.

Fügen – formschluss – Keil/Zahn/Polygonwellenverbindung

Man unterscheit Keil/Zahnwellen und Polygonwellenverbindungen. Diese Elemente lassen sich axial verschieben.

Zahnwellen haben eine feinere Zahnung als Keilwellen und schwächen daher die Welle-Nabe Verbindung weniger.

Polygonwellen haben keine Kerbwirkung und können größere Momente übertragen.

Fügen – kraftschluss

Beim kraftschlüssigen Fügen werden Kräfte und Drehmomente durch Reibungskräfte übertragen, die durch das Aufeinanderpressen von

Bauteilen entstehen.

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Das Gewinde:Eine Schraubenlinie entsteht, wenn man den zurückgelegten Weg entlang des Gewindes nach einer Umdrehung abwickelt.

Bezeichnungen am Gewinde:AussendurchmesserFlankendurchmesserKerndurchmesserGewindeprofilSteigungFlankenwinkel

Das Lösen der Schraube wird durch den kleinen Steigungswinkel und den großen Flankenwinkel verhindert. (Reibung hoch)Reibung hängt von Oberfläche, Werkstoff,Schmierzustand und von der Art ab.

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Gewindearten:Das Spitzgewinde (Metrische ISO-Gewinde) wird in Fein und

Regelgewinde unterteilt.Daneben existieren noch das Trapez- und Sägengewinde.

Nach dem Drehsinn unterscheidet man Rechts- und Linksgewinde.

SägengewindeSpitzgewinde Trapezgewinde

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Schraubenverbindungen können als DurchsteckschraubeEinziehschraube undStiftschraube ausgeführt werden.

Sie dürfen nicht auf Abscherung oder Biegung beansprucht werden

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Einteilung nach der Kopfform Einteilung nach der Schaftform

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Einteilung nach der Mutterform

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Festigkeitsklassen bei Schrauben und Muttern:Zugfestigkeit=1. Zahl mal 100, hier 1000 N/mm20,2%-Dehngrenze=1. Zahl mal 2. Zahl mal 10, hier 900 N/mm2

Mutter Schraube

6

8

10

12

6.8

8.8

10.9

12.9

Schrauben werden nach ISO, DIN oder DIN EN ISO genormt:Sechskantschraube ISO 4017 – M12x80 – 12.9

Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung

Fügen – kraftschluss - SchraubenverbindungAnziehen von Schraubenverbindungen:

Die Sicherheit einer Verbindung ist von der beim Anziehen erreichten Vorspannkraft abhängig. Auf die Mutter oder den Schraubenkopf wirkt ein Drehmoment. Durch die

Gewindesteigung entsteht im Schraubenschaft eine Zugkraft. Die Schraube wird gedehnt, die Bauteile gestaucht. Die Schraube verformt sich elastisch, kann aber bei

zu großer Vorspannkraft auch plastisch verformt werden oder sogar brechen. Drehmoment und Vorspannkraft entnimmt man Tabellen.

Fügen - stoffschluss

Beim stoffschlüssigen Fügen werden Bauteile durch einen formlosen Stoff verbunden.

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Beim Schweißen werden zwei Teile stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei wird der Werkstoff an der Fügestelle durch Wärme oder Reibung in flüssigen oder

plastischen Zustand gebracht.

Vorteile Nachteile

• vielfältige Formgebung

• Festigkeit der Schweißnaht

• dichte Verbindung

• Gefügeveränderung

• Verzug/Schrumpfung

• Schweißeignung ist begrenzt

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Fügen – stoffschluss - SchweißenLichtbogenhandschweißen:

Hier schließt der Lichtbogen zwischen Stabelektrode und Werkstück den Stromkreis (Gleichstrom). Durch die hohen Temperaturen schmelzen an der

Schweißstelle sowohl die Kanten der Fügestelle als auch die von Hand zugeführte Stabelektrode. Die Schmelze bildet nach dem Abkühlen die Schweißnaht. Die Umhüllung entwickelt Gase, die den Lichtbogen stabilisieren, die Luft abschirmen und eine schnelle

Abkühlung verhindert. Geeignet für Allgemeine Baustähle.

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Schutzgasschweißen:Hier wird der Lichtbogen und das Schmelzbad durch ein Schutzgas gegen die

Atmosphäre abgeschirmt. Man unterteilt in Verfahren mit abschmelzender Metallelektrode (MIG/MAG) und nicht abschmelzender Wolframelektrode (WIG). Als

Schutzgase verwendet man inerte Gase (Ar, He) für NE-Metalle oder aktive Gase(CO2) für Stähle. Das WIG Schweißen eignet sich zum Fügen von dünnen

Blechen aus hochlegierten Stählen und AL-Legierungen.

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Gasschmelzschweißen/Autogenschweißen:Das Schmelzen erfolgt durch eine Brenngas-

Sauerstoffflamme, Acetylen und Sauerstoff, wird aber nur selten eingesetzt.

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Laserstrahlschweißen:Gebündelte, energiereiche Lichtstrahlen werden durch ein Linsensystem auf eine sehr kleine Fläche fokussiert.Durch die hohe Energiedichte schmilzt der Werkstoff und bildet beimErstarren die Schweißnaht. Diese ist so dünn, dass meist kein Zusatzwerkstoff benötig wird.

Vorteile Nachteile

• hohe Vorschubgeschwindigkeit

• oxidfreie Schweißnaht

• geringer Verzug

• gut automatisierbar

• hochfeste Schweißverbindung

• fast alle Werkstoffe fügbar

• hohe Investitionskosten

• gute Abschirmung notwendig

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Punktschweißen:Das Schmelzen erfolgt durch den hohen

elektrischen Widerstand in der Kontaktzone. Bleche werden zwischen zwei Kupferelektroden

zusammengedrückt und durch den hohen kurzfristigen Strom werden die Kontaktflächen

geschmolzen.

Reibschweißen:Die Wärme entsteht durch Reibung, sobald der Werkstoff plastisch ist,

wird das drehende Teil gestoppt. Mit einer zusätzlichen Staukraft werden

die Teile zusammengedrückt. Geeignet für Rotationssymmetrische

Teile.

Fügen – stoffschluss - Schweißen

Vergleich der Schweißverfahren nach den Anwendungsgebieten und schweißbaren Werkstoffen.

Fügen – stoffschluss - Löten

Löten ist ein stoffschlüssiges Fügen von (unterschiedlichen) Werkstoffen mithilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls, dem Lot.Die Schmelztemperatur des Lotes liegt dabei unterhalb der zu verbindenden Grundwerkstoffe. Die Werkstoffe werden vom Lot benetzt, ohne aufgeschmolzen zu werden.Nach dem Energieträger zum Erwärmen unterscheidet man:Löten durch Gas, durch feste Körper, durch Flüssigkeiten, durch Strahlen und durch den elektrischen Strom.

Fügen – stoffschluss - Löten

Benetzungsvorgang:Das Lot dringt ein wenig in den Grundwerkstoff ein und bildet eine Legierung, diesen Vorgang nennen wir Diffusion.Das Flussmittel löst die Oxide und verhindert weitere Oxidation.

Der Abstand der beiden Fügeflächen ist entscheidend. Aufgrund der Kapillarwirkung sollte die Lötfuge/Lötspalt zwischen 0,05 und 0,2 mm betragen.

Fügen – stoffschluss - Löten

Reine Metalle und Legierungen mit eutektischer Zusammensetzung haben einen festen Schmelzpunkt,andere einen Schmelzbereich.

Man unterscheidet nach der TemperaturWeich- Hart- und Hochtemperaturlöten.

Weichlote sind Zinnlegierungen mit Blei, Kupfer oder Silber.Hartlote sind Kupferlote oder silberhaltige Lote.

Fügen – stoffschluss - Kleben

Beim Kleben werden gleiche oder verschiedene Stoffe durch eine aushärtende Zwischenschicht miteinander verbunden, um Bauteile zu

Verbinden, Schrauben zu sichern oder Fügeflächen abzudichten.

Vorteile Nachteile

•Keine Gefügeänderung

•Kombinationsmöglichkeiten

•dichte Verbindung

•wenig Passarbeit nötig

•große Fügefläche nötig

•geringe Dauerfestigkeit

•geringe Warmfestigkeit

•lange Aushärtung

Fügen – stoffschluss - KlebenDie Haltbarkeit einer Klebverbindung hängt von der Adhäsionskraft des Klebstoffes an den Fügeflächen und der Kohäsionskraft im Inneren des Klebstoffes ab.Eine hohe Adhäsionskraft lässt sich nur erzeugen, wenn die Fügeflächen sauber, trocken und rau sind. Nach dem Aushärten entsteht dann ein fester Kunststoff.

Die Belastbarkeit einer Klebverbindung hängt nicht nur von der Größe der Fügeflächen, sondern auch wesentlich auch von der Art der Beanspruchung ab. Es sollte auf Abscherung und nur im geringen Maß auf Zug beansprucht wird.

Fügen – stoffschluss - KlebenKlebstoffarten:• Nassklebstoffe härten durch Verdunsten des Lösungsmittels• Schmelzklebstoffe erstarren rein physikalisch durch Abkühlung • Reaktionsklebstoffe härten durch eine chemische Reaktion ausMan unterscheidet Warm-Kaltkleber und Ein- und Zwei-Komponentenkleber

Fügen – stoffschluss - Kleben

Vorbehandlung der Oberflächen:Sandstrahlen oder Schleifen mit Schmirgelpapier. Anschließend das Entfetten. Anstelle der mechanischen Vorbehandlung kann eine chemische Behandlung durch Beizen erfolgen. Sie ist die wirkungsvollste Art, weil die Oberfläche gleichzeitig gereinigt und aufgeraut wird. Nach dem Beizen oder Entfetten muss sorgfältig getrocknet werden.

Klebstoffverarbeitung:Komponentenkleber müssen im richtigen Mischungsverhältnis vor dem Auftragen gemischt werden. Je nach Lieferform wird der Kleber mit Pistole, Pinsel oder Spachtel aufgetragen.

Aushärten:Bei Aushärtungsbeginn müssen die Fügeteile gegen Verrutschen gesichert und teilweise gepresst werden. Zeit und Temperatur richten sich nasch der Klebstoffart.