Leitfaden für dauerhafte und kostengünstige Verbindungen von Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihres außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Wirtschaftlichkeit und ihrer hervorragenden thermischen/elektrischen Leitfähigkeit in allen Branchen unverzichtbar geworden.Allerdings, die Auswahl der optimalen Verbindungstechnik stellt erhebliche technische Herausforderungen dar, da jede Methode unterschiedliche Vorteile und Einschränkungen mit sich bringt, die sich auf die Leistungsfähigkeit, die Langlebigkeit, dieund Produktionskosten.

Schrauben und Nieten gehören weiterhin zu den einfachsten und wirtschaftlichsten Aluminiumverbindungsmethoden, insbesondere für Anwendungen wie Flugzeughautplatten, bei denen eine extreme Festigkeit nicht von größter Bedeutung ist.Während mechanisch befestigte Gelenke nur wenig Ausrüstung erfordern, müssen Ingenieure mehrere kritische Faktoren berücksichtigen:

• Überlappung der Materialien:Lendenverbindungen erhöhen den Materialverbrauch und das Komponentengewicht
• Grenzen der Stärke:Standardverbindungen aus Aluminium können für Anwendungen mit hoher Belastung Stahlersatz erfordern
• Galvanische Korrosion:Unterschiedliche Metallkombinationen (z. B. Stahl-Aluminium) bergen ein Risiko für eine elektrochemische Korrosion
• Thermische Müdigkeit:Differenzielle Expansionskoeffizienten können Spannungsspalten um die Befestigungslöcher herum verursachen

Technische Lösungen:Es müssen Aluminium-kompatible Befestigungsmittel festgelegt, korrosionsschützende Beschichtungen aufgetragen, mit Hilfe kalibrierter Werkzeuge präzise Drehmomentwerte aufrechterhalten und regelmäßige Inspektionsprotokolle umgesetzt werden.

Moderne Strukturklebstoffe ermöglichen eine überlegene Spannungsverteilung im Vergleich zu mechanischen Befestigungsmitteln und verbessern die Vermüdungsdauer der Gelenke erheblich und reduzieren gleichzeitig das Komponentengewicht.Die Fähigkeit des Klebeverbindungsmittel, unterschiedliche Materialien zu verbinden und versiegelte Verbindungen zu schaffen, profitiert insbesondere von Anwendungen in der Luftfahrt und im Automobilbereich.

Kritische Prozessanforderungen:

• Oberflächenvorbereitung:Wichtige Schritte sind das Entfettungsverfahren mit Lösungsmitteln, die mechanische Abriebung, das chemische Ätzen und das Anodieren, um eine angemessene Haftung zu gewährleisten
• Aufkleberwahl:Die Optionen reichen von schnell heilenden Cyanoacrylaten bis hin zu leistungsstarken Epoxide und flexiblen Polyurethanen
• Ausheizungskontrolle:Temperatur-, Druck- und Dauerparameter variieren signifikant je nach Chemie des Klebstoffs

Fusionsschweißverfahren liefern die stärksten Aluminiumverbindungen für tragfähige Strukturen:

• Gas-Metall-/Tungsten-Bogenschweißen (GMAW/GTAW):Die gängigsten Industrieprozesse, wobei GTAW eine höhere Präzision bietet
• Schweißen mit Reibung (FSW):Festkörpertechnik mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bei minimalem Verzerrungsgrad
• Laserschweißen:Ideal für dünnläufige Materialien mit konzentrierter Wärmezufuhr

Schweißprobleme:Die hartnäckige Oxidschicht von Aluminium erfordert spezielle Abschirmgase und Oberflächenbehandlungen.Schweißmaschinen müssen die Wärmezufuhr sorgfältig kontrollieren, um heißes Rissen zu verhindern und die Erweichung der Hitzezone (HAZ) zu minimieren.

Diese Kapillarverbindungsmethoden funktionieren unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium und eignen sich daher für elektronische Komponenten und Wärmetauscher:

• Vorteile des Brausens:Höhere Gelenkfestigkeit und bessere Leitfähigkeit als beim Löten
• Vorteile des Lötens:Niedrigere Prozesstemperaturen und einfachere Anlagenanforderungen

Beide Methoden erfordern eine sorgfältige Oberflächenvorbereitung und die Anwendung von Flüssen, um die Oxidationsneigung von Aluminium zu überwinden.

Das Drehwerkzeug von FSW erzeugt Reibungswärme, ohne das Grundmetall zu schmelzen, was außergewöhnliche Gelenkeigenschaften bietet:

• Näheres an der Stammmetallfestigkeit in Schweißzonen
• Mindestverzerrungen und Restspannungen
• Fähigkeit zur Verbindung von zuvor nicht schweißbaren Aluminiumlegierungen

Während die Kosten für FSW-Ausrüstung weiterhin hoch sind, wird die Technologie weiterhin in Luft- und Raumfahrt- und Transportanwendungen eingesetzt, in denen die Zuverlässigkeit der Gelenke von entscheidender Bedeutung ist.

Die Auswahl der optimalen Aluminiumverbindungsmethode erfordert eine sorgfältige Bewertung der mechanischen Anforderungen, der Produktionsmengen und der Serviceumgebungen.Die moderne Technik kombiniert zunehmend mehrere Techniken, wie z. B. mit Klebstoff gebundene/mechanisch befestigte Hybridverbindungen, um überlegene Leistungsmerkmale zu erzielen.