Nichtlösbare Verbindungen

Nichtlösbare Verbindungen

Nichtlösbare Verbindungen wie beispielsweise Schmelzschweiß-, Pressschweiß-, Löt-, Kleb- und Nietverbindungen werden vorzugsweise für eine dauerhafte Verbindung von Bauteilen verwendet. Die Trennung derartig gefügter Bauteile ist nur durch Zerstörung der Verbindung möglich. Innerhalb dieses Kapitels werden die Auslegung unter Verwendung von Beispielrechnungen, Normung und Verfahren sowie deren Vor- und Nachteile näher betrachtet.

  • Schmelzschweißverbindungen

    Schweißen ist eines der wichtigsten Verbindungsverfahren, da es außer der Ersparnis an Modell- oder Werkzeugkosten häufig den Vorteil des geringeren Werkstoffaufwandes gegenüber Guss- und Schmiedeteilen bietet. Ein Schweißteil kann bei geschickter Gestaltung ohne Einbußen an Festigkeit und Steifigkeit wesentlich leichter werden. Unsere ganze technische Kultur baut auf dem Schweißen auf: Moderne Autos, Getreidesilos, Milch- und Biertanks, Geländer, Zäune, Brücken, Stahlbauten und Schiffe sind ohne die verschiedenen Schweißverfahren völlig undenkbar. Während noch die Profile des Eiffelturms und die Schiffsbaubleche der Titanic mit warm geschlagenen Nieten – die im glühenden Zustand in die Bohrlöcher eingebracht und per Vorschlag- oder Presslufthammer geformt wurden – verbunden wurden, würden heute solche technischen Gebilde definitiv geschweißt werden: Das Schweißen bietet gegenüber dem Nieten und Schrauben mehrere Vorteile: Es geht viel schneller und ist damit wesentlich billiger, gleichzeitig ist aber die Festigkeit höher, und gerade im Falle von Schiffen und Behältern: Schweißnähte sind dicht. Gleichzeitig können verschiedene Schweißverfahren sehr leicht automatisiert werden, denken Sie nur an die Schweißroboter, welche die Karosserien moderner Autos zusammenschweißen.Die wenigen Nachteile des Schweißens sind: Es können nur artgleiche Werkstoffe gefügt werden, durch die mehr oder weniger hohe Wärmeeinbringung können sich die Werkstücke merklich verziehen, und in der Schweißzone können schädliche Gefügeumwandlungen erfolgen. Ferner ist das Sicherstellen der Festigkeit und Qualität der Schweißnaht nur durch aufwendige Prüfverfahren wie Röntgen oder durch zerstörende Prüfung von Musterteilen möglich.

    Verfahren

    Die Schweißverfahren werden eingeteilt nach

    • der Art des Energieträgers: z. B. Gas, Strahl, elektrischer Strom,
    • der Art des Grundwerkstoffs: z. B. Eisenmetalle, Nichteisenmetalle,
    • dem Zweck des Schweißens: Verbindungsschweißen, Auftragsschweißen,
    • nach dem Grad der Mechanisierung: z. B. Handschweißen, teil- oder vollmechanisiertes Schweißen.

    Verbindungsschweißen ist das Fügen mehrere Werkstücke zu einem Schweißteil. Dabei ergibt sich ein kontinuierlicher innerer Aufbau der verbundenen Metalle. Der Werkstoff eines Werkstücks heißt Grundwerkstoff, ggf. wird ein Zusatzwerkstoff zugeführt. Dieser Zusatzwerkstoff wird in Form von Stäben oder Drähten artgleichen Werkstoffs zugeführt und in der Schweißzone abgeschmolzen. Sollte eine derartig entstandene Schweißnaht nicht ausreichen, dann wird mehrlagig geschweißt. Die zum Schweißen nötige Energie wird von außen zugeführt.

    Filme zu den verschiedenen Schweißverfahren

    Folgende Filme sollen die einzelnen Schweißverfahren verdeutlichen. Prakting stellt auf Youtube interessante Videos rund um die praktischen Tätigkeiten des Maschinenbaus bereit. Mehr Informationen findet man im passenden Youtube Kanal.

    Film: Autogen Schweißen | Stahl

    Film: Elektroden Handschweißen in Mehrlagentechnik | Stahl

    Film: MAG Schweißen | Stahl


    WIG Schweißen | Baustahl und Edelstahl


    Film: MIG Schweißen | Aluminium


    WIG Schweißen | Aluminium



    Schweißbare Werkstoffe

    Die wichtigsten schmelzschweißbaren Metalle sind:

    Stähle
    Zur Schweißbarkeit bei Stählen: Bei reinem Kohlenstoffstahl ist eine problemlose Schweißbarkeit unter 0,22 % C-Gehalt gegeben; ist der Stahl legiert, kann man als Äquivalent den sog. K-Wert bestimmen:

    K = C % +  (Mn %)/6 + (Cr %)/5 + (Mo %)/4 + (Ni %)/15

    Wenn dieser K-Wert unter 0,4 liegt, passt alles für Blechdicken bis 25 mm. Ab 0,45 und größeren Blechdicken muss dann ggf. vorgewärmt bzw. auf genaue Temperaturführung geachtet werden.

    Gusseisen
    Hier sollte die Spezialliteratur zu Rate gezogen werden.

    Aluminiumlegierungen
    Aluminiumlegierungen, die geschmiedet, gewalzt oder stranggepresst werden können, nennt man Knetlegierungen. Sie haben meist unter 5 % Legierungsanteile. Aluminiumlegierungen, die vergossen werden sollen, zum Beispiel zu Zylinderkurbelgehäusen, Zylinderköpfen und weiteren Automobilteilen, nennt man Gusslegierungen. Sie können bis zu 15 % Legierungsanteile haben.

    Sonstige Metalle
    Kupfer, Messing und Bronze sind schweißbar, wenn man sie nicht lieber gleich lötet. Titan, sowohl Reintitan als auch Titanlegierungen, ist sehr gut schweißbar. Hier bietet sich das WIG-Verfahren an.

    Stoßarten

    Der Schweißstoß ist der Bereich, in dem die Teile durch Schweißen miteinander verbunden werden.Manche Stoßarten brauchen ab gewissen Blechdicken Naht- bzw. Fugenvorbereitungen. Die Stoßart wird durch die konstruktive Anordnung der Teile zueinander bestimmt – der Konstrukteur bestimmt also die Stoßart.

    Stoßarten
    Stoßarten

    Gestaltung

    Zur Gestaltung zweckentsprechender Schweißkonstruktionen sind bestimmte, grundsätzliche Richtlinien zu beachten. Jeder Konstrukteur sollte daher seine Entwürfe kritisch und gewissenhaft auf schweißgerechte Gestaltung prüfen.

    Berechnung der Spannungen in Schweißnähten

    Die präzise Berechnung der in Schweißnähten auftretenden Spannungen ist sehr schwierig und außerordentlich unübersichtlich: Man unterscheidet in geregelte (es gibt Vorschriften) und ungeregelte (keine direkten Vorschriften) Bereiche, und selbst in den geregelten Bereichen ist das Vorgehen mitunter vollkommen unterschiedlich! Zum sog. geregelten Bereich gehören u. a. der Stahlbau, der Kranbau, die Druckbehälter, aber auch Fahrzeuge und Bauwerke der Deutschen Bahn. Jeweils gelten dort sehr unterschiedliche Vorschriften, und sie sind gerade sehr stark im Umbau und Umbruch begriffen, um eine europäische Harmonisierung zu erreichen. Dagegen gehören der Maschinenbau, der Fahrzeugbau bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik bemerkenswerterweise zum ungeregelten Bereich – Sie können also, übertrieben gesprochen, rechnen, wie Sie es für richtig halten.

    Die Beanspruchungen aller tragenden Nähte müssen errechnet und mit zulässigen Spannungen verglichen werden.

    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel-Arbeitsblatt

    Schweißverbindungen

    Im Maschinen- und Gerätebau werden beispielsweise Riemenscheiben, Zahnräder, Seilscheiben und -trommeln, Getriebekästen, Lagerkörper und -böcke, Stützfüße und Konsole, Gehäuse, Zug- und Gelenkstangen, Hebel, Vorrichtungen u. dgl. als Schweißteile ausgebildet.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (4.2)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (4.4)
    Tabelle (4.5)

  • Pressschweißverbindungen

    Unter Pressschweißen versteht man ein Schweißen mit Anwendung von Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Ein örtlich begrenztes Erwärmen ggf. bis zum Schmelzen ermöglicht oder erleichtert das Schweißen.

    Das Pressschweißen ist in der Technik weit verbreitet, da es im Vergleich zum Schmelzschweißen einen viel geringeren Zeitaufwand erfordert und deshalb besonders für Serienfertigungen geeignet ist.

    Es kommt aber im Wesentlichen nur zum Verbinden von Teilen in Betracht, die wie Bleche flächig aufeinander liegen oder wie Bolzen stirnseitig befestigt werden müssen.

    Verfahren, Werkstoffe

    Die zu verbindenden Teile können auf verschiedene Weise erwärmt werden, z. B. durch Heizelemente, durch Umgießen mit einem flüssigen Energieträger, durch ein Brenngas, durch Ofenfeuer, durch Reibung, durch Ultraschall oder durch den elektrischen Strom im Widerstand der Werkstücke.

    Im Maschinen-, Geräte-, Leichtmetall- und Fahrzeugbau ist das letztgenannte Verfahren von Bedeutung, und zwar das Widerstandspressschweißen mit konduktiv (unmittelbar) über Elektroden zugeführtem Strom.

    Punktschweißroboter beim Herstellen einer Automobilkarosserie (Werkbild KUKA)
    Punktschweißroboter beim Herstellen einer Automobilkarosserie (Werkbild KUKA)

    Punktschweißverbindungen

    Durch Setzen von regelmäßig angeordneten Schweißpunkten lassen sich Nähte ziehen, die einreihig oder mehrreihig sein können.

    Im Geräte-, Maschinen- und Stahlleichtbau ist das Fügen von Dünnblechen oder blechähnlichen Teilen ein wirtschaftliches Verfahren, besonders in der Fahrzeugindustrie, wo dafür Roboter eingesetzt werden.

    Punktschweißnähte: a) einreihige Punktnaht, b) zweireihige Punktnaht, c) zweireihige Punktnaht versetzt
    Punktschweißnähte

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (5.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (1.2)
    Tabelle (5.2)

    Buckelschweißverbindungen

    Gegenüber dem Punktschweißen bietet das Buckelschweißen den Vorteil, dass Schweißstrom und Elektrodenkraft durch die punkt- oder linienförmige Berührung der Teile bei Schweißbeginn auf die Buckel konzentriert werden und deshalb die Festigkeit der Schweißstellen weniger streut.

    Im Gegensatz zu Punktschweißverbindungen müssen alle Buckel an einem Anschluss gleichzeitig niedergeschweißt werden (Vielbuckelschweißen bei mehreren Buckeln an einem Anschluss).

    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel-Arbeitsblatt

    Schweißbuckel

    Abbrenn-Stumpfschweißverbindungen

    Ein besonderer Vorteil der Abbrennstumpfschweißung ist die Festigkeit der Schweißstelle von 90...100 % der Bauteilfestigkeit. Man wendet das Verfahren an, wenn sich mit ihm wesentliche Einsparungen an Werkstoff erzielen lassen oder eine einfache, billige Gestaltung gegenüber aus einem Stück hergestellten Teilen möglich ist.

    Die Querschnitte der zu schweißenden Teile können bis etwa 1000 cm2 groß sein.
    Das Verfahren wird zum Zusammenschweißen von Rund- und Profilstählen sowie Blechen angewendet. Das Verschweißen von Einzelteilen zu verwickelt geformten Werkstücken wie Kurbelwellen, Hebel, Ziehteile u. dgl. wird oftmals besonders wirtschaftlich.

    Schweißen von Kunststoffen

    Thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) lassen sich im teigigen Zustand schweißen. Bei Verflüssigung besteht die Gefahr des Zersetzens. Deshalb muss stets unter Anwendung von Kraft geschweißt werden. Das Schweißen lohnt sich nur, wenn die Stückzahl für gepresste Formmassen zu gering und damit unwirtschaftlich wäre.

    Thermoplaste werden wie Metalle in Tafeln, Flach- und Rundstäben sowie Rohren geliefert. Wie beim Metallschweißen können Nähte auch mit Zusatzwerkstoffen in Form von Schweißstäben gezogen werden, sogar in mehreren Lagen übereinander.

  • Lötverbindungen

    Löten ist das Vereinigen von metallischen Werkstoffen (den Fügeteilwerkstoffen) durch schmelzende Zulegestoffe oder Zusätze (Lote), deren Schmelzpunkt unter dem der Fügeteilwerkstoffe (Bauteilwerkstoffe) liegt. Es ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen. Gelötet werden beispielsweise Stahlrahmen, Kraftfahrzeugkühler, Karosserien, Kleinbehälter, Stahlleichtbauten, Maschinen- und Geräteteile.

    Vorteile: Es lassen sich verschiedenartige Metalle miteinander verbinden und auch an Stellen, die für andere Verbindungsverfahren unzugänglich sind. Wegen der relativ niedrigen Arbeitstemperaturen sind Gefügeschädigungen der Fügeteilwerkstoffe oder Zerstörungen metallischer Oberflächenschutzschichten nicht zu befürchten. Die Bauteile werden nicht wie bei den Nietverbindungen durch Löcher geschwächt, die hohe Kerbwirkungen hervorrufen.

    Nachteile: Große Lötstellen sind unwirtschaftlich, da sie erhebliche Mengen des teuren Lotes erfordern. Besonders bei Aluminiumbauteilen besteht die Gefahr einer elektrolytischen Zerstörung der Lötstellen, weil zwischen dem Fügeteilwerkstoff und den Legierungsbestandteilen des Lotes ein großer Abstand in der Spannungsreihe der Elemente besteht. Flussmittelreste können zu einer chemischen Reaktion und damit zur Korrosion führen. Die Festigkeit von Lötverbindungen, besonders der Weichlotverbindungen ist wesentlich geringer als die von Schweißverbindungen.

    Verfahren, Lote

    Es wird zwischen Weich- und Hartlöten unterschieden. Beim Weichlöten schmilzt das Lot unterhalb von etwa 450 ° C, beim Hartlöten oberhalb von etwa 450 ° C. Beim Hartlöten mit einer Schmelztemperatur des Lotes über 900 ° C spricht man vom Hochtemperaturlöten.

    Film: Hartloeten Compilation | Fügen


    Gestaltung von Lötverbindungen

    Nach der Form der Lötstelle wird unterschieden in

    1. Spaltlöten,
      bei dem die zu verbindenden Oberflächen einen kleinen, möglichst gleich bleibenden Abstand (Lötspalt) voneinander haben, der im Allgemeinen h = 0,25 mm nicht überschreitet. Das Lot wird durch Kapillarwirkung in den Lötspalt gesaugt.

    2. Fugenlöten,
      bei dem die zu verbindenden Oberflächen einen größeren Abstand als h = 0,5 mm voneinander haben oder die Lötstelle (Lötfuge) V- oder X-förmig ausgebildet ist. Im letzten Fall entstehen wie beim Schmelzschweißen Nähte, sodass man dann auch vom Schweißlöten spricht.
    Kapillarwirkung im Lötspalt
    Kapillarwirkung im Lötspalt

    Berechnung von Lötverbindungen

    Lötverbindungen werden zweckmäßig auf Abscheren beansprucht. In der Regel wird der Lötschicht die annähernd gleiche rechnerische Bruchkraft gegeben wie dem zugbeanspruchten Bauteil, d. h. die Lötfuge wird so bemessen, dass die Lötschicht etwa bei der gleichen Kraft brechen würde wie das Bauteil.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (6.1) 

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (1.2)
    Tabelle (6.2)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

  • Klebverbindungen

    Unter Kleben versteht man das Verbinden von Körpern (Fügeteilen als Verbindungspartner) durch Oberflächenhaftung mittels Klebstoff.

    Klebverbindungen bieten den Vorteil, dass sie wenig Raum und Gewicht erfordern, dass sich die Spannungen an der Verbindungsstelle gleichmäßiger als bei anderen Verbindungen verteilen, dass sie dichthalten, korrosionsbeständig sind und die Werkstoffeigenschaften der Verbindungspartner nicht verändern.

    Nachteile sind die geringe Festigkeit gegenüber anderen Verbindungsarten (Schweißen, Löten, Nieten) sowie die teilweise schwierige Demontage. Es werden beispielsweise Versteifungen auf Blechwände geklebt, Flugzeugtragflächenholme, Gebläseräder, Lüfterflügel, Brems- und Kupplungsbeläge auf ihre Träger u. dgl.

    Industrielles Kleben von Autoscheiben (Werkbild KUKA)
    Industrielles Kleben von Autoscheiben (Werkbild KUKA)

    Wirkmechanismen

    Werden zwei Bauteile über einen Klebstoff flächig und stoffschlüssig miteinander verbunden, so muss dieser, um Kräfte übertragen zu können, einerseits auf den Oberflächen der beiden Bauteile haften und andererseits eine ausreichende innere Festigkeit besitzen.

    Das Haftvermögen bezeichnet man als Adhäsion (vom lat. adhaerere – „anhaften“), wobei unterschieden wird zwischen der formschlüssigen Adhäsion, deren Haftkräfte infolge der mechanischen Verankerung des Klebstoffs in die Werkstückoberfläche entstehen (Anteil der Haftkräfte beträgt etwa 30 % der Gesamtfestigkeit), und der spezifischen Adhäsion. Die hier auftretenden Bindungskräfte beruhen auf den verschiedenen Arten der chemischen Bindung sowie auf den zwischenmolekularen Kräften infolge der Wechselwirkungen zwischen Atomen und/oder Molekülen.

    Formschlüssige Adhäsion
    Formschlüssige Adhäsion

    Die „innere Festigkeit“ des Klebstoffs wird als Kohäsion (vom lat. cohaerere – „zusammenhängen“) bezeichnet. Man versteht darunter das Wirken von Anziehungskräften zwischen Atomen bzw. Molekülen innerhalb eines Stoffes. Die Kohäsionsfestigkeit ist eine werkstoff- und temperaturabhängige Größe. Quantitative Anhaltspunkte für die Kohäsionsfestigkeit erhält man über die Zugfestigkeit und das Dehnungsvermögen der Werkstoffe. Bei Klebschichten ist die Kohäsionsfestigkeit insbesondere für das Kriechen bzw. Fließen unter mechanischer Belastung eine charakteristische Eigenschaft.

    Verantwortlich für die Güte der Verbindung sind die Klebstoffeigenschaften Viskosität und Benetzungsfähigkeit sowie die Oberflächenrauigkeit, Sauberkeit und Haftfestigkeit der zu verklebenden Bauteile.

    Klebstoffe

    In der Richtlinie VDI 2229 Metallkleben werden die Klebstoffe nach der Art des Abbindens (des Abbindemechanismus) eingeteilt.

    Gestaltung und Festigkeit der Klebverbindungen

    Für die Haltbarkeit einer Klebverbindung ist deren Gestaltung von besonderer Bedeutung. Es ist auf die Krafteinleitung in den Fügebereich und die sich daraus ergebende Beanspruchung der Klebschicht zu achten.

    Zugbeanspruchungen sollten vermieden werden, da die Eigenfestigkeit der Klebstoffe gegenüber der der Fügeteile wesentlich geringer ist und damit die Festigkeit der Fügeteile nicht ausgenutzt werden kann. Damit die Klebschicht bei der Kraftüberleitung von einem Fügeteil auf das andere auf Abscheren beansprucht wird, ist die Klebschicht in Kraftrichtung zu legen. Gegen Schälbeanspruchung ist die Klebschicht besonders empfindlich. Derartige Beanspruchungen sind zu vermeiden.

    Beanspruchung der Klebeverbindungen: a) Zug, b) Scheren, c) Schälen
    Beanspruchung der Klebeverbindungen

    Berechnung von Klebverbindungen

    Die Berechnung von Klebverbindungen ist nicht trivial. Die Komplexität und zum Teil noch nicht hinreichend erforschten Wirkmechanismen dieses stoffschlüssigen Werkstoffverbundes erfordern höchste Sorgfalt und eine enge Zusammenarbeit mit den Klebstoffherstellern sowie die Durchführung von Vorversuchen, um z. B. bei Serienfertigung im Praxisbetrieb eine funktionierende Lösung gewährleisten zu können.

    Eine optimale Festigkeit ist nur dann zu erwarten, wenn die Richtlinien hinsichtlich Gestaltung, Vorbehandlung, Verarbeitung der Klebstoffe und Herstellung von Klebverbindungen eingehalten wurden. Beispielsweise kann mit einer Vorbehandlung, die einer mittleren Bindefestigkeit entspricht, keine hohe Bindefestigkeit erzielt werden.

    Der auf Abscheren beanspruchten Klebschicht gibt man etwa die gleiche rechnerische Bruchkraft wie dem maßgebenden zugbeanspruchten Fügeteil (Bauteil), wenn die Klebschicht eine hohe Bindefestigkeit besitzt und zumindest eines der Fügeteile als maßgebendes dünn ist (Blech, Rohr), sodass die Klebfläche nicht unvertretbar groß wird.


    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (7.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (1.2)
    Tabelle (7.2)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

  • Nietverbindungen

    Stanznietverbindung an einem Schwungrad aus Stahl (Werkbild Böllhoff)
    Stanznietverbindung an einem Schwungrad aus Stahl

    Nietverbindungen sind durch Schweißverbindungen in vielen Bereichen verdrängt worden, weil das Bohren der Löcher und Schlagen der Niete im Allgemeinen einen höheren Arbeitsaufwand erfordert, Schweißteile eine einfachere Gestalt erhalten, leichter sind und nicht durch Löcher geschwächt werden.

    Vorteilhaft ist jedoch, dass beim Nieten keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen wie Gefügeumwandlungen stattfinden und kein Verziehen durch Wärmewirkungen auftritt. Ferner lassen sich auch ungleichartige Werkstoffe miteinander verbinden. Deshalb greift man oftmals noch auf die als unbedingt sicher geltenden Nietverbindungen zurück, ganz besonders im Leichtmetallbau. Als Alternative kann oft das Kleben verwendet werden.

    Nietformen, Werkstoffe, Herstellung der Verbindungen

    Ein Rohniet besteht aus dem Schaft mit dem Durchmesser d1 und dem angestauchten Kopf, dem Setzkopf. Bevorzugt wird der Halbrundkopf, während andere Kopfformen in der Regel nur für Sonderfälle in Betracht kommen. Niete und Bauteile sollen möglichst aus dem gleichen Grundwerkstoff bestehen, weil bei Werkstoffunterschieden Lockerungs- und Korrosionsgefahr besteht. Übliche Nietwerkstoffe sind:

    Stahl (St) QSt 32-3 oder QSt 36-3 (nach Wahl des Herstellers) nach DIN 1624-2 (Rm min = 290 N/mm2), Kupfer-Zink-Legierung (CuZn) CuZn 37 nach DIN 17677-1 (Rm min = 290 N/mm2), Kupfer (Cu) SF-Cu nach DIN 17677-1 (Rm min = 200 N/mm2), Aluminium (Al) Al 99,5 nach DIN EN 1301 (Rm min = 100 N/mm2).

    Berechnung von Nietverbindungen

    Wenn die Wirklinie der Belastungskraft F durch den Schwerpunkt des Nietanschlusses geht, wird vorausgesetzt, dass jeder Niet gleich hoch an der Kraftübertragung beteiligt ist. Jeder Niet setzt dann der Belastungskraft F einen Widerstand Fn = F/n entgegen, wenn n die Anzahl der Niete bedeutet.

    Anstelle des betr. Bauteils kann man sich um jeden Niet ein Band geschlungen denken, sodass jeder Strang mit der anteiligen Kraft ΔF = F/2n zieht. Der Bauteilquerschnitt 1 hat die volle Zugkraft F = 8 ΔF aufzunehmen, der Querschnitt 2 nur 6 ΔF und der Querschnitt 3 nur 2 ΔF. Die Bauteile werden demzufolge in der jeweils ersten Nietreihe am stärksten beansprucht und am stärksten gedehnt. Um die Unterschiede nicht zu groß werden zu lassen, ordnet man in der Regel nicht mehr als drei bis vier Nietreihen an.


    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel-Arbeitsblatt

    Kraftverhältnisse an einer mehrreihige Nietverbindung
    Kraftverhältnisse an einer mehrreihige Nietverbindung

    Nietverbindungen im Maschinen- und Gerätebau

    Im Maschinen- und Gerätebau herrschen Verbindungen mit Kaltnieten unter d1 = 10 mm vor (Halbrundniete DIN 660 und Senkniete DIN 661).


    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (8.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (8.1)
    Tabelle (8.2)

    Nietverbindungen im Leichtmetallbau

    Leichtmetallnietungen haben sich gegenüber Schweißverbindungen behauptet, weil kaltgeschlagene Niete die Löcher voll ausfüllen (kein Schrumpfspiel!). Das Schweißen beeinflusst die Eigenschaften der Leichtmetalle derart ungünstig, dass Nietverbindungen trotz der hohen Kerbwirkungen durch die Löcher haltbarer als Schweißverbindungen sind. Leichtmetallnietungen werden vorwiegend im Fahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und auch im Hoch-, Kran- und Brückenbau angewendet.

    Stanznieten

    Stanzniete an einer Rohkarosserie aus Aluminium (Werkbild Böllhoff)
    Stanzniete an einer Rohkarosserie aus Aluminium

    Während bei den klassischen Nietverfahren eine zeit- und kostenintensive Vorlochoperation durchgeführt werden muss, ermöglicht das Stanznieten eine Verbindung von Blech- oder Profilteilen ohne diesen Verfahrensschritt. Je nach Form der Stanzniet wird unterschieden in Stanznieten mit Vollniet oder Stanznieten mit Halbhohlniet.

    Beim Vollnietverfahren werden die zu fügenden Werkstücke mit einem Niederhalter auf der Matrize fixiert. Im Anschluss erfolgt das Lochen der zu fügenden Teile durch den gleichzeitig als Schneidstempel fungierenden Vollniet. Nach Erreichen eines Anschlagpunktes wird mit der nun geschlossenen Fläche von Nietstempel und Niederhalter das Werkstück gegen die Matrize gedrückt.

    Durch die Kontur der Matrize und die über Nietstempel und Niederhalter aufgebrachte Druckkraft fließt der Werkstoff des unteren Bleches in die umlaufende Schaftnut des Nietes. Hierbei erfolgt der Werkstofffluss entgegen der Richtung von Stempel- und Niederhalterbewegung.

    Hybridfügen – Stanznietkleben

    Kombinierte Fügeverfahren, bei denen elementare Fügeverfahren wie das Stanznieten und das Kleben miteinander unter dem Begriff Hybridfügen, hier Stanznietkleben, gekoppelt werden, dienen gem. DVS/EFB 3450-1

    1. der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bzw. der Lebensdauerverlängerung von Verbindungen,

    2. der Vermeidung von Kontaktkorrosion sowie

    3. der Erweiterung der funktionalen Eigenschaften (z. B. Nahtabdichtung, Nahtisolation, Dämpfung).

    Tendenziell zeigen hybridgefügte Bauteile bessere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu konventionell gefertigten Fügeteilen sowohl bei quasistatischen als auch bei schwingenden Belastungen. Nach o. g. Merkblatt sind dies gleichmäßigere Spannungsverteilung im Fügebereich, erhöhte Schwingfestigkeit, verbesserte Schwingungs- und Schalldämpfung, erhöhte Verbindungssteifigkeit sowie eine bessere Korrosionsbeständigkeit.