Manuskript. Quellennachweis: Ralf Rosenburg Seite 1 von 14

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1 Inhalt Seite Klebeverbindungen 2-3 Nagelverbindungen 4 Nietverbindungen 5-6 Schraubverbindungen 7 Lötverbindungen 8-11 Schweißverbindungen Quellennachweis: Europa Lehrmittel Europa-Lehrmittel Fachkunde Metall Fachkunde Holztechnik Seite 1 von 14

2 Klebeverbindungen Beim Kleben werden gleiche oder verschiedenartige Stoffe durch eine aushärtende Zwischenschicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Klebeverbindungen dienen vorwiegend zum Verbinden von Konstruktionsteilen, Sichern von Schrauben, Dichten von Fügeflächen. Die Vorteile des Klebens sind: Keine Gefügeänderung Gleichmäßige Spannungsverteilung Viele Werkstoffkombinationen Dichte Verbindungen Wenig Passarbeit erforderlich Die Nachteile des Klebens sind: Große Fügeflächen nötig Geringe Dauerfestigkeit Geringe Warmfestigkeit Teilweise lange und komplizierte Aushärtung Grundlagen der Klebeverbindung Die Haltbarkeit einer Klebeverbindung hängt von der Adhäsionskraft des Klebstoffes an den Fügeflächen und der Kohäsionskraft im Inneren der Klebstoffschicht ab. Eine hohe Adhäsionskraft lässt sich nur erreichen, wenn die Fügeflächen sauber, trocken und leicht aufgerauht sind. Durch den Aushärtevorgang entsteht aus dem dünnflüssigen Kleber ein fester Kunststoff. Die Belastbarkeit einer Klebeverbindung hängt nicht nur von der Größe der Fügeflächen, sondern wesentlich auch von der Art der Beanspruchung ab. Klebeverbindungen sollen so ausgeführt werden, dass die Klebschicht vorwiegend auf Abscherung und nur in geringem Maß auf Zug beansprucht wird. Schälbeanspruchungen sind nicht zulässig, da sie leicht zum Aufreisen der Verbindung führen. Seite 2 von 14

3 Klebstoffe und Klebstoffverarbeitung Klebstoffe sind Werkstoffe in flüssiger bis pastöser und fester Form. Mit ihnen können andere Werkstoffe, wie z. B. Holz, Kunststoff, Glas und Metall oder Bauteile wie z. B. Tischfüße und Zargen, fest miteinander verbunden werden. Der Oberbegriff Klebstoff schließt eine Reihe anderer gebräuchlicher Begriffe für Klebstoffe mit ein, wie z. B. Leim, Dispersionsklebstoff, Reaktionsklebstoff, Kontaktklebstoff oder Schmelzklebstoff. Unter Leim werden alle Klebstoffe aus tierischen, pflanzlichen oder synthetischen Ausgangsstoffen verstanden, die Wasser als Löse- bzw. Dispersionsmittel enthalten. Klebstoffe werden entsprechend der Herkunft ihrer Ausgangsstoffe in natürliche Klebstoffe und synthetische Klebstoffe bzw. Kunstharzklebstoffe eingeteilt. Natürliche Klebstoffe: Glutinleime (Eiweisverbindung aus tierischen Abfällen) Kaseinleime (Eiweißstoff Albumin aus Kasein der Magermilch) Synthetische Klebstoffe: Phenol-, Harnstoff- und Melaminharzklebstoffe Epoxidharz-, Polychloropren- und Polyurethanklebstoffe (Einkomponenten-, Zweikomponenten- und Schmelzklebstoffe) Seite 3 von 14

4 Nagelverbindungen Die Nagelung kommt bei einfachen Verbindungen vor. Nägel halten im Hirnholz nicht so gut wie im Langholz. Deshalb wird man für die Herstellung von Transportkisten, Lagerregalen u. a., bei denen es auf große Haltbarkeit der Nagelung ankommt, Eckleisten vorsehen. Hier werden Drahtstifte mit Senkkopf verwendet, die sich nicht so leicht in das Holz einziehen können. Damit die Haltbarkeit der Nagelung noch größer wird, können die Nägel ganz durch die Eckleisten geschlagen, auf der anderen Seite mit einem Flacheisen winklig abgekröpft und in dieser Form wie ein Wiederhaken umgebogen werden. Für die feinere Nagelung wählt man Drahtstifte mit Stauchkopf, weil sie versenkt und ausgekittet werden können. Wenn außen an den Brettenden zu Nageln ist, kann das Holz durch die keilförmige Spitze des Drahtstiftes aufspalten. Die Spaltwirkung wird vermindert, indem man die Spitze des Drahtstiftes mit dem Hammer staucht. Unter der stumpfen Spitze werden die Holzfasern zerdrückt und nicht auseinandergekeilt. Drahtstifte sind im Schaft glatt und lassen sich daher in Richtung der Nagelachse leicht wieder herausziehen. Um die Haltbarkeit einer Nagelung zu erhöhen, ist schwalbenschwanzförmig zu nageln. Die Nagellänge sollte das 2,5fache der Dicke des zu befestigenden Teiles betragen. Wird eine Holzfläche an der Verbindungsstelle ausgefälzt, spricht man von einer ausgefälzten Nagelverbindung. Durch den Falz erhält die andere Holzfläche einen Anschlag, wodurch diese beim Nageln nicht verrutschen kann. Meist wird zusätzlich Leim angegeben. Seite 4 von 14

5 Nietverbindungen Durch Nieten entstehen unlösbare, stoffschlüssige Verbindungen, die nach den an sie gestellten Anforderungen in feste, feste und dichte und dichte Verbindungen eingeteilt werden können. Feste Verbindungen können große Kräfte übertragen. Feste und dichte Verbindungen müssen große Kräfte übertragen und gleichzeitig die zu verbindenden Teile abdichten. Dichte Verbindungen müssen Bauteile verbinden und gegeneinander abdichten. Niete können nach der Kopfform, nach der Ausführung des Schaftes und nach dem Verfahren beim Nieten eingeteilt werden. Als Nietwerkstoffe verwendet man Stahl, Kupfer, Kupfer-Zink (Messing) und Al- Legierungen, in Ausnahmefällen auch Kunststoffe und Titan. Um elektrochemische Korrosion und ein Lockern der Verbindung zu vermeiden, sollen die Niete möglichst aus dem gleichen Werkstoff wie die zu fügenden Teile bestehen. Niete sollen eine ausreichende Festigkeit aufweisen und sich gut umformen lassen. Der fertig geformte Niet besteht aus Setzkopf, Schaft und Schließkopf. Die gebohrten und angesenkten Teile werden mit dem Nietenzieher zusammengepresst. Durch Anstauchen wird die Bohrung vollständig ausgefüllt und anschließend der aus dem Nietloch heraus-ragende Schaftteil zum Schließkopf geformt. Nach der Arbeitstemperatur beim Nieten unterscheidet man zwischen Kalt- und Warmnieten. Von Kaltnieten spricht man bei Stahlnieten bis 8 mm Durchmesser und Nieten aus anderen Werkstoffen. Sie werden in kaltem Zustand umgeformt. Da beim Kaltnieten nur eine kleine Normalkraft F N entsteht, ist auch die zwischen den Werkstücken erzeugte Reibungskraft F R gering. Querkräfte F Q müssen deshalb vom Nietquerschnitt, der dabei auf Abscherung beansprucht wird, aufgenommen werden. Stahlnieten ab etwa 10 mm Durchmesser werden durch Warmnieten bei etwa 1000 C warm geformt. Beim Abkühlen schrumpft der Nietschaft, sodass der Niet nicht die ganze Bohrung ausfüllt. Durch das Schrumpfen des Schaftes werden über die Nietköpfe die Werkstücke aufeinander gepresst. Die dadurch Seite 5 von 14

6 zwischen den Werkstücken erzeugte Reibungskraft ist groß. Auftretende Querkräfte müssen deshalb nicht von der Niet aufgenommen werden. Durch Kaltnieten entstehen formschlüssige, durch Warmnieten kraftschlüssige Verbindungen. Weitere Nietverbindungen sind Stanznieten, Hohl- und Halbhohlnieten, Dornniete und Spreizniete. Seite 6 von 14

7 Schraubverbindungen Schraubverbindungen sind kraftschlüssige Verbindungen und können mit Durchsteckschrauben, Einziehschrauben und Stiftschrauben ausgeführt werden. Bei Durchsteckschrauben werden die zu verbindenden Teile durch das Anziehen der Mutter zwischen Schraubenkopf und Mutter zusammengepresst. Mit Einziehschrauben werden Bauteile mit anderen Werkstücken, in denen sich ein Innengewinde befindet, verschraubt. Bei Stiftschrauben ersetzt eine Mutter den Schraubenkopf. Schraubverbindungen sollen auf Zug beansprucht werden. Sie sind wenig geeignet Beanspruchungen auf Abscherung aufzunehmen. Seite 7 von 14

8 Lötverbindungen Löten ist ein stoffschlüssiges Fügen und Beschichten von Werkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls, dem Lot. die Schmelztemperatur des Lotes liegt unterhalb der Schmelztemperatur der zu verbindenden Grundwerkstoffe. Die Grundwerkstoffe werden vom Lot benetzt, ohne geschmolzen zu werden. Das Löten erfolgt vielfach unter Anwendung von Flussmitteln, Schutzgasen oder im Vakuum. Durch das Löten entstehen unlösbare, stoffschlüssige verbindungen, die fest, dicht und leitfähig für Wärme und elektrischen Strom sind. Die zu verbindenden Grundwerkstoffe können sehr unterschiedliche Eigenschaften und Zusammensetzung haben, sofern das Lot sich mit beiden Stoffen verbindet. So können z. B. Hartmetall-Schneidplatten auf Drehmeiselschäfte aus Baustahl gelötet werden. Durch Löten, lassen sich gleiche oder verschiedenartige metallische Werkstoffe fest, dicht und leitfähig verbinden. Voraussetzung für eine Lötverbindung ist, dass das flüssige Lot den Grundwerkstoff benetzt. Dabei kommt es zu einer raschen Ausbreitung des flüssigen Lots auf der Werkstück-oberfläche. Das Lot dringt in das Gefüge des Grundwerkstoffes, löst einen Teil davon und bildet eine Legierung. Diesen Vorgang der gegenseitigen Durchdringung nennt man Diffusion. Eine gute Benetzung wird erreicht, wenn der Grundwerkstoff mit dem Lot eine Legierung bilden kann, Die Lötstelle metallisch rein ist, Werkstücke und Lot genügend erwärmt werden. Die Arbeitstemperatur eines Lotes ist die niedrigste Oberflächentemperatur des Werkstücks, bei der das Lot benetzt, fließt und legiert. Bei Temperaturen unterhalb der Arbeitstemperatur erfolgt keine Verbinfung zwischen Lot und Grundwerkstoff ( kalte Lötstelle ). Lot und Lötstelle müssen mindestens die Arbeitstemperatur erreichen. Beim Überschreiten der maximalen Löttemperatur verzundert das Werkstück und das Lot versprödet. Der Wirktemperaturbereich ist der Bereich, in dem das Flussmittel das Benetzen des Werkstückes durch das Lot ermöglicht. Nach der Arbeitstemperatur unterscheidet man Weichlöten, Hartlöten und Hochtemperaturlöten. Beim Weichlöten liegt die Arbeitstemperatur unter 450 C. Das Weichlöten wendet man an, wenn dichte oder leitfähige Verbindungen erforderlich sind und an die Belastbarkeit keine Seite 8 von 14

9 hohen Ansprüche gestellt werden oder wenn die zu lötenden Bauteile wärmeempfindlich sind. Beim Hartlöten liegt die Arbeitstemperatur über 450 C. Hartlötverbindungen können als Stumpfstoss ausgeführt werden. Beim Löten mit angesetztem Lot werden die Werkstücke an der Lötstelle auf Löttemperatur erwärmt. Danach wird das Lot durch berühren mit dem Werkstück zum Fließen gebracht. Beim Löten mit eingelegtem Lot werden die Werkstücke zusammen mit einer abgestimmten Lotmenge (Lotformteil) auf Löttemperatur erwärmt. Hochtemperaturlöten ist ein Löten unter Schutzgas oder im Vakuum mit Loten, deren Arbeitstemperatur über 900 C liegt. Seite 9 von 14

10 Als Lote werden Legierungen, seltener reiner Metalle, verwendet, deren Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Metalle liegt. Die Lote werden unterteilt in Weichlote, Hartlote, Hochtemperaturlote und Lote für Aluminium-Werkstoffe. Kupferlote bestehen aus sauerstofffreiem Kupfer oder Kupferlegierungen mit Zinn und Zink. Sie werden zum Hartlöten von Eisen-, Kupfer- und Nickelwerkstoffen verwendet. Die Arbeitstemperaturen liegen zwischen 825 C und 1100 C. Silberhaltige Hartlote besitzen niedrigere Arbeitstemperaturenals Kupferlote. Die niedrigste Arbeitstemperatur ist mit cadmiumhaltigen Loten zu erreichen. Da Cadmium sehr giftig ist, ist die Verwendung von cadmiumhaltigen Loten nur in begründeten Ausnahmefällen und mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zulässig. Seite 10 von 14

11 Erwärmte Metalle verbinden sich rasch mit Sauerstoff und bilden eine Oxidschicht. Diese verhindert das Benetzen durch das Lot. Zum Lösen der Oxidschicht und zur Verhinderung weiterer Oxidation verwendet man beim Löten Flussmittel. Eine Oxidation kann auch durch Löten unter Schutzgas oder im Vakuum verhindert werden. Die Auswahl des Flussmittels richtet sich nach dem zu lötenden Grundwerkstoff und dem Lötverfahren, vor allem aber nach der Arbeitstemperatur des verwendeten Lotes. Die Wirkung des Flussmittels muss unterhalb der Arbeitstemperatur einsetzen und über die maximale Löttemperatur hinaus reichen. Flussmittel werden daher nach ihrem Wirktemperaturbereich eingeteilt. Um ein sicheres Löten der gesamten Fügefläche zu erreichen, werden die flüssigen oder pastenförmigen Flussmittel meist kurz vor dem Zusammensetzen der Teile auf den Lötbereich aufgetragen. Nach dem Löten müssen die Reste der Flussmittel von der Lötstelle entfernt werden, da sonst Korrosion entstehen kann. Seite 11 von 14

12 Schweißverbindungen Schweißen ist das Vereinigen oder Beschichten von Werkstoffen in flüssigem oder plastischem Zustand unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft, ohne oder mit Zusatzwerkstoffen. Schweißverbindungen sind als stoffschlüssige Verbindungen wegen der festen und dichten Vereinigung der Grundwerkstoffe unlösbare Verbindungen. Eigenschaften geschweißter Bauteile: Vorteile: - Freie Gestaltung und einfache Ausführung - Gewichtseinsparungen - Hochfeste und dichte Verbindungen Nachteile: - Gefügeänderungen in der Schweißzone - Verzug und Schrumpfung am Bauteil - Nicht alle Metalle sind zum Schweißen geeignet Beim Schmelzschweißen werden meißt gleichartige Metalle an den Verbindungsstellen geschmolzen und mit oder ohne Zusatzwerkstoff vereinigt. Beim Gasschmelzschweißen auch Autogenschweißen genannt, wird der Werkstoff, vorwiegend unlegierte Stähle, mit einer Brenngas- Sauerstoff-Flamme zum schmelzen gebracht und mit dem Schweißdraht zusammengeschweißt. Als Gas wird hauptsächlich Acetylen verwendet, da damit die notwendige Flammentemperatur von 3200 C erreicht wird. Seite 12 von 14

13 Beim Metall-Lichtbogenschweißen, auch Elektroschweißen genannt, wird mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens der Werkstoff an der Schweißstelle zum Schmelzen gebracht, gleichzeitig schmilzt die Elektrode als Zusatzwerkstoff ab und bildet eine Schweißraupe. Die Temperaturen am Werkstück liegen bei 4200 C. Zum Schweißen sind Stromstärken bis zu 1000 A und Spannungen von 15 V bis 50 V erforderlich. Zur Erzeugung des Lichtbogens wird ein Pol der Stromquelle mit einer Polklemme an das Werkstück, der andere Pol an die Stabelektrode geklemmt. Schweißstromquellen haben die Aufgabe, den Netzstrom (hohe Spannung, niedrige Stromstärke) in einen Schweißstrom (niedrige Spannung, hohe Stromstärke) umzuwandeln. Die Stabelektroden bestehen aus dem Kerndraht und der Umhüllung. Der Kerndraht ergibt als Zusatzwerkstoff die Schweißraupe. Die Umhüllung entwickelt beim Abschmelzen Gase, die den Lichtbogen stabilisieren, den flüssigen Werkstoffübergang und das Schmelzbad gegen die umgebende Luft abschirmen. Die abschmelzende Umhüllung schwimmt als Schlacke auf der Schweißnaht und verhindert eine schnelle Abkühlung der Schweißstelle. Dadurch werden die Schrumpfspannungen vermindert. Der Lichtbogen wird erzeugt, indem zwei unter Spannung stehende Pole eines Stromkreises, z. B. die negativ gepolte Stabelektrode und das positiv gepolte Werkstück, durch berühren kurzgeschlossen werden. Im Berührungspunkt entstehen durch den großen Übergangswiderstand an beiden Polen hohe Temperaturen. Beim Abziehen der Elektrode vom Werkstück werden Elektronen von der Elektrode losgelöst. Sie bewegen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes von der Elektrode (- Pol) zum Werkstück (+ Pol) und werden dabei in dieser Lichtbogenstrecke sehr stark beschleunigt. Es entsteht ein Lichtbogenplasma, eine hocherhitzte Gassäule, in der die Lichtbogenstrecke ionisiert, d. h. elektrisch leitend gemacht wird. Am Minuspol entsteht dabei eine Temperatur von etwa 3600 C, am Pluspol (Werkstück) eine Temperatur von etwa 4200 C. Bei diesen Temperaturen schmelzen die Ansatzpunkte des Lichtbogens an der Elektrode und am Werkstück. Der geschmolzene Elektrodenwerkstoff geht in Form von Tropfen in das Schmelzbad des Werkstückes über. Das Schutzgasschweisen ist eine Form des Lichtbogenschweißens. Beim Schutzgasschweißen unterscheidet man das Wolfram-Schutzgasschweißen (WSG) mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und das Metallschutzgasschweißen (MSG) mit Seite 13 von 14

14 einer abschmelzenden Drahtelektrode. Bei beiden Verfahren wird der Lichtbogen und das Schmelzbad durch ein Schutzgas gegen die Atmosphäre abgeschirmt. Die Auswahl des Schutzgases richtet sich nach dem Werkstoff und dem Schweißverfahren Seite 14 von 14