Kleben und Löten. Konstruktionslehre. Studiengang Mechatronik. 1. Semester. Prof. Dr.-Ing. M. Reichle

Transkript

1 Kleben und Löten Konstruktionslehre Studiengang Mechatronik 1. Semester Prof. Dr.-Ing. M. Reichle

2 Inhaltsverzeichnis - II - Inhaltsverzeichnis 1 Kleben Bindefähigkeit Klebstoffe Polykondensationsklebstoffe Polymerisationsklebstoffe Polyadditionsklebstoffe Eigenschaften der Klebeverbindung Gestaltung der Klebeverbindung Berechnung von Klebeverbindungen Übung : Klebeverbindung Löten Lötvorgang Lötarten Weichlöten Hartlöten Flußmittel Gestaltung von Lötverbindungen Berechnung von Lötverbindungen Übung: Lötverbindung (Verschlusskappe) Literatur... 14

3 Kleben Kleben Das Kleben ermöglicht die Verbindung auch nicht schweißbarer Werkstoffe ohne Verwendung von Nieten oder Schrauben. Es wird angewendet beim Verbinden von Metallen mit Nichtmetallen (Holz, Kunststoff, Glas, Porzellan) oder in Fällen, in denen die zu verbindenden Werkstoffe durch die Schweißung nachteilige Veränderungen ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften erfahren (z. B. ausgehärtetes Duraluminium). Vor allem dünne Werkstücke, die sich nur unter großem Aufwand oder gar nicht nieten oder schweißen lassen, können durch Kleben miteinander verbunden werden (Sandwichbauweise im Flugzeugbau). 1.1 Bindefähigkeit Sie wird bei Klebstoffen auf Kunstharzbasis zur Hauptsache auf die Adhäsion zwischen Kleber und Metall zurückgeführt. (Adhäsion = Anhangskraft Aneinanderhaften der Moleküle im Grenzflächenbereich zweier verschiedener Stoffe). Der mechanischen Haftung infolge mechanischer Verankerung wird weitaus geringere Bedeutung zugemessen. Die Festigkeit im Kleber selber beruht auf der Kohäsion (= Zusammenhaltskräfte innerhalb eines Stoffes). Zur Herstellung einwandfreier Metallklebeverbindungen müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: - gute und gleichmäßige Benetzbarkeit der Klebeflächen - möglichst geringes Schrumpfen des Klebers (Eigenspannungen) - schmutz- und fettfreie Klebeflächen.

4 Kleben Klebstoffe Kunstharzklebstoffe sind Produkte der Polykondensation, der Polymerisation oder der Polyaddition. Der Klebstoff kann entweder durch eine chemische Reaktion oder durch einen physikalischen Vorgang, wie das Verdunsten des Lösungsmittels, abbinden Polykondensationsklebstoffe Sie werden kalt aufgebracht. Nach dem Zusammenfügen der Teile werden sie zum Abbinden einer meist kurzen Wärmeeinwirkung unter Druck ausgesetzt, während der die chemische Reaktion der Kondensation abläuft. Durch Zugabe von Härter kann die Kondensation auch ohne Wärmezufuhr bewirkt werden Polymerisationsklebstoffe Sie binden durch Lösungsmittelverdunstung ab. Wärmezufuhr und geringe Druckanwendung wirken beschleunigend und verbessernd. Bei metallischen Werkstoffen muss wegen ihrer nicht porösen Struktur auf ein gutes Ausdünsten des Lösungsmittels vor dem Zusammenfügen geachtet werden. Die Flächen werden erst dann zusammengefügt, wenn sie sich nicht mehr klebrig anfühlen. Zum Verbessern der Festigkeit werden diese Kleber häufig mit einem speziellen Vernetzer verarbeitet Polyadditionsklebstoffe Sie härten ohne Freisetzung von Spaltprodukten durch eine Additionsreaktion aus. Der feste Klebstoff in Pulver- oder Stangenform wird bei erhöhter Temperatur flüssig und härtet nach längerer Zeit aus. Sie sind ohne Druck kalt oder heiß härtbar.

5 Kleben Eigenschaften der Klebeverbindung Die Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln (Weichmacher) hängt vom jeweiligen Klebstoff ab. Unter Umständen kann eine Beständigkeit bei Raumtemperatur mit zunehmender Temperatur abnehmen. Einige Klebstoffe altern, d. h. ihre Festigkeit lässt mit der Zeit nach. Klebstoffe neigen wie Kunststoffe zum Kriechen, d. h., sie verformen sich langsam bei ständiger Belastung. Die Temperaturbeständigkeit der Klebeverbindung hängt stark von dem verwendeten Kleber ab. Bis ca o C sind alle Kleber ausreichend stabil. 1.4 Gestaltung der Klebeverbindung Die Klebeschicht sollte möglichst in der Beanspruchungsrichtung liegen und nur auf Schub beansprucht werden. Bild 1.1: Beanspruchungsarten beim Kleben Auf große Klebeflächen achten. Stumpfstöße sind zu schäften.

6 Kleben Bild 1.2: Stumpfstoß Je größer die Klebefilmdicke, desto geringer ist die Festigkeit der Verbindung. Filmdicken zwischen 0,2 und 1,1 mm sind optimal. Klebestellen, die der Witterung ausgesetzt sind, sollten geschützt werden. Überlappungslänge etwa 10- bis 15- mal Blechdicke. Ungünstig! Günstig! Bild 1.3: Überlappungen

7 Kleben Bild 1.4: Konstruktive Gestaltung von Rohrverbindungen Konstruktive Gestaltung von Klebeverbindungen unter Beachtung der Wirkrichtung der Kräfte zeigt Bild 1.5. Bild 1.5: Konstruktive Gestaltung unter Beachtung der Kraftrichtung

8 Kleben Durch die moderne Klebetechnik wurden zwei neue Bauweisen entwickelt, die Schicht- und Leichtkern-Bauweise (Bild 1.6). Eine spezielle Art der Leichtkern- Bauweise ist die besonders im Flugzeugbau häufig eingesetzte Wabenkern- o- der Sandwichplatten-Bauweise. Zwischen zwei dünnen Außenplatten wird ein Kernwerkstoff mit geringer Dichte (z. B. Holz oder Schaumstoff) oder wellenförmig profilierten und verschachtelten Bändern geklebt. Bild 1.6: Wabenkern- und Sandwichplatten für den Leichtbau 1.5 Berechnung von Klebeverbindungen Für Schubbeanspruchte Klebeverbindungen gilt: F A τ = τzul ( 1.1 ) Hierbei ist anzustreben, dass die Abscherkraft der Klebeschicht in etwa der Zugbruchkraft der verklebten Teile entspricht. F Kleber = A Kleber τ abzul b h R m ( 1.2 )

9 Kleben Aufgrund der vielen Einflußfaktoren auf die Festigkeit einer Klebeverbindung, kann eine solche Berechnung nur eine grobe Überschlagsrechnung sein. Der Nachweis ist durch Versuche mit Originalteilen zu erbringen. Tabelle 1.1: Gebräuchliche Kalt- und Warmkleber

10 Kleben Übung : Klebeverbindung Ein Zahnrad mit Schrägverzahnung soll durch Kleben mit der Welle verbunden werden. Das Rad besteht aus S235JR (St37). Die Axialkraft am Zahnrad beträgt 260 N. Es wird ein Drehmoment von T = Nmm übertragen. Die Welle hat einen Durchmesser von d w = 20 mm. Der Kleber hat bei schwellender Beanspruchung eine Scherfestigkeit von τ absch = 20 Nmm -2. Radialkraft Axialkraft Umfangskraft 1. Bestimmen Sie die erforderliche Nabenbreite, wenn die Sicherheit S = 2 betragen soll und die zulässige Scherspannung des Klebers zugrunde gelegt wird. 2. Wie groß ist die Nabenbreite, wenn die Klebefuge die Torsionsfestigkeit des Wellenwerkstoffs τ tf = 140 Nmm -2 erreichen soll?

11 Löten Löten Unter Löten versteht man das Verbinden erwärmter, im festen Zustand verbleibender Metalle durch schmelzende metallische Zusatzwerkstoffe. Lot und Werkstücke müssen an der Lötstelle mindestens auf die Temperatur des Soliduspunktes des Lotes gebracht werden (Arbeitstemperatur), damit das Lot fließen, die Lötflächen benetzen und am Grundwerkstoff binden kann. 2.1 Lötvorgang Im Gegensatz zum Schweißen wird der Grundwerkstoff beim Löten nicht verflüssigt. Die Verbindung wird dadurch ermöglicht, dass das flüssige Lot durch Kapillarwirkung in dünne Spalte gesaugt wird und durch die Temperatur ein Eindiffundieren der Lotatome in den Grundwerkstoff erfolgt. Die Lötstelle ist somit eine reine mechanische Verbindung zweier Oberflächen. Für eine einwandfreie Lötung ist der Lötspalt von entscheidender Bedeutung. Ist der Spalt zu klein, findet keine Kapillarwirkung mehr statt, da das Lot zu zäh ist. Bei übermäßig großen Spaltweiten reicht die Kapillarwirkung ebenfalls nicht mehr aus. Der günstigste Lötspalt liegt zwischen 0,1 und 0,2 mm. 2.2 Lötarten Weichlöten Weichlöten wird bei einer Arbeitstemperatur unterhalb 450 o C, vorwiegend bei Stahl, Kupfer und Cu-Legierungen ausgeführt. Die Lote sind zur Hauptsache Legierungen der Metalle Blei (Pb), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Cadmium (Cd) und Zink (Zn). Anwendung hauptsächlich in der Elektrotechnik, Elektronik und bei Bauteilen, die z. B. dicht sein müssen (Dosen, Schalen) und nur geringen Belastungen und Temperaturen unterliegen.

12 Löten Hartlöten Hartlöten wird bei Arbeitstemperaturen oberhalb 500 o C durchgeführt. Die Hartlötung ist ähnlich wie eine Schweißverbindung auch zum Übertragen größerer Kräfte und Temperaturen (bis ca. 200 o C) geeignet. Es werden meist Kupferlegierungen als Lote verwendet. Für spezielle Anwendungen stehen auch Silberlote zur Verfügung. Sie haben einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine etwas geringere Festigkeit. 2.2 Flußmittel Um eine einwandfreie Lötverbindung zu erhalten, müssen die zu verbindenden Teile fett- und oxydfrei sein. Um dies zu erreichen, werden sog. Flußmittel verwendet. Diese verhindern eine Oxidation der Metalle beim Erwärmen und säubern gleichzeitig die Oberfläche der Teile. Weichlöten: Lötfette (Gemisch aus Zinkchlorid, Salmiak, Harz) Harzflußmittel (Kolophonium) früher häufig im Gebrauch: Lötwasser (verdünnte Salzsäure) Die beiden letztgenannten Flußmittel führen auch nach dem Gebrauch zur Korrosion und müssen daher sorgfältig entfernt werden. Hartlöten: Borverbindungen (Borax) Heute sind Weichlote, die in ihrer Mitte eine Seele aus Flußmittel besitzen sowie Hartlote, die wie Schweißelektroden mit Flußmittel ummantelt sind, im Einsatz. 2.4 Gestaltung von Lötverbindungen Lötstelle nach Möglichkeit nur auf Schub beanspruchen. Zug- und Biegebeanspruchung besonders bei Weichlötungen vermeiden. Große Lötflächen anstreben, da τ zul des Lotes gering ist. Parallele Lötspalte vorsehen (0,1 bis 0,2 mm).

13 Löten Lagesicherung anbringen, damit sich die Lötteile während des Lötvorganges nicht verschieben. Lötverbindung insbesondere bei Dauerbeanspruchung entlasten (Sicken, Falzen, Umbördeln, Verstiften, Verschrauben). Überlappungslänge bei Blechverbindungen 4- bis 6-mal Dicke des dünnsten Bleches. Bei längeren Überlappungen besteht die Gefahr, dass der Spalt nicht voll ausläuft. Eine leichte Rauheit der Flächen (R max =10 bis 15 µm) wirkt sich günstig aus. Ausnützung der Kapillarwirkung. Das Lot fließt stärker zur engeren und heißen Stelle hin. Kupferlot dringt auch noch in Spalte einer Preßverbindung ein. Bild 2.1: Nahtausführungen beim Löten 2.5 Berechnung von Lötverbindungen Die Wahl des Lotes richtet sich nach den zu verbindenden Metallen, nach der zulässigen Temperatur und nach der geforderten Festigkeit. Sowohl die Zugfestigkeit als auch die Scherfestigkeit für ein vorgegebenes Lot ist abhängig von der Festigkeit des Grundwerkstoffes, der Spaltbreite und der Lötfläche.

14 Löten Besonders für Weichlötungen gilt, dass die Lötstelle möglichst nur auf Schub beansprucht werden sollte. Die Festigkeit des Lotwerkstoffes lässt hier keine Rückschlüsse auf die Festigkeit der Lötverbindung zu. Als Richtwerte für die Festigkeitsberechnung gilt Folgendes: Weichlöten: τ s,zul = 10 N/mm 2 F A τ = τs,zul ( 2.1 )

15 Löten Übung: Lötverbindung (Verschlusskappe) Der Rohrstutzen an einem Behälter soll durch eine mit Kupferlot hart gelötete Kappe verschlossen werden. Im Betriebszustand wirkt ein gleich bleibender Druck von p = 6 bar. Kupferlot τ ablot zul = 100 N/mm 2 1. Welche Spannung herrscht in der Lötfuge? 2. Bestimmen Sie die Länge l der Fuge, wenn sie ebenso fest sein soll wie der Rohrquerschnitt.

16 Literatur Literatur ROLOFF/MATEK Muhs,D; Wittel, H; Jannasch, D; Voßiek, J.: Roloff/Matek, Maschinenelemente. Vieweg-Verlag Wiesbaden, 18. Auflage, 2007 HABERHAUER/ BODENSTEIN Haberhauer, H.; Bodenstein, F: Maschinenelemente. Springer-Verlag, Berlin, 11. Auflage, 2001 DECKER Decker, Karl-Heinz: Maschinenelemente. Carl-Hanser-Verlag, München, 16. Auflage, 2007 KÖHLER/RÖGNITZ Köhler, Günter: Maschinenteile. Teubner-Verlag, Stuttgart, 6. Auflage, 1981 STEINHILPER/ RÖPER Steinhilper, W.; Röper, R: Maschinen- und Konstruktionselemente. Springer-Verlag, Berlin, 1982 DUBBEL Beitz, W; Küttner, K. H.: Taschenbuch für den Maschinenbau. Springer-Verlag, Berlin, 16. Auflage, 1987 HOISCHEN Hoischen, Hans: Technisches Zeichnen Cornelsen-Verlag, Berlin, 26. Auflage, 1996

17