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Dokumentenidentifikation DE102005006786A1 14.06.2006
Titel Probe zur Belastungsuntersuchung einer Fügeverbindung sowie diesbezügliches Prüfverfahren
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE;
AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Böhme, Wolfgang, Dr.rer.nat., 79211 Denzlingen, DE;
Schüler, Josef, 79285 Ebringen, DE;
Memhard, Dieter, Dr.-Ing., 79108 Freiburg, DE;
Christlein, Jens, Dipl.-Ing., 74080 Heilbronn, DE;
Strating, Arjan, Dipl.-Ing., 74257 Untereisesheim, DE
Vertreter Rösler, U., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 14.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005006786
Offenlegungstag 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2006
IPC-Hauptklasse G01N 3/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Beschrieben wird eine Probe zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern, von denen ein erster Fügepartner einen eben ausgebildeten Oberflächenbereich und der zweite Fügepartner eine Stirnseite aufweist, über die der zweite Fügepartner senkrecht den ersten Fügepartner überragend mit dem eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners eine feste Fügeverbindung eingeht, wobei beim ersten Fügepartner zwei Einspannbereiche vorgesehen sind, die der Fügeverbindung gegenüberliegen, und der zweite Fügepartner einen Einspannbereich aufweist, der der Fügeverbindung gegenüberliegt, und die Einspannbereiche zur lösbar festen Aufnahme in einer Zug- und/oder Biegevorrichtung ausgebildet sind. Ferner wird ein Verfahren zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern unter Verwendung der Probe beschrieben.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Probe zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern sowie ein diesbezügliches Prüfverfahren.

Kenntnisse über die Belastbarkeit von Fügeverbindungen, wie beispielsweise Klebe-, Schweiß- oder Lötverbindungen, zwischen zwei Fügepartnern sind von besonderem Interesse insbesondere im Rahmen komplexer mechanischer Tragwerke bzw.

Tragstrukturen, wie sie beispielsweise im Fahrzeug- und Karosseriebau oder ähnlichen Bereichen der Technik vorkommen und die sich zumeist aus einer Vielzahl jeweils über Fügeverbindungen aneinander gefügte Fügepartner zusammensetzen.

Handelt es sich bei den Fügeverbindungen um Überlappnaht- oder Punktschweißverbindungen, so finden gemäß DIN EN ISO 14 273 sogenannte Zug-Scher-Versuche Anwendung, um die Belastbarkeit derartiger Fügeverbindungen zu charakterisieren. Hierbei sind verschiedene Belastungsarten, wie beispielsweise statische Beanspruchungen Zug-, Schwing- oder Stoßbelastungen möglich, insbesondere Versuche im Hinblick auf Crash-artige Belastungen werden mit hohen Belastungsraten durchgeführt und liefern entscheidende Eingangsdaten für modellbasierte Crash-Simulationen.

Belastungsprüfungen von Klebeverbindungen werden bisher im allgemeinen an nach der DIN 53281 vorgegebenen Proben durchgeführt, die aus zwei einfachen rechteckig längsgestreckten Blechstücke bestehen, die teilweise überlappen und flächig mit dem zu überprüfenden Verbindungsmittel verfügt sind. Als sogenannte Scher-Zug-Probe werden diese Bleche jeweils einendig übereinander gelegt und entsprechend verfügt. Mit Hilfe einer geeigneten Prüfmaschine werden die über die Klebeverbindung zusammengefügten Blechstücke parallel zur Erstreckungsebene der Bleche wieder auseinander gezogen.

Sind hingegen zwei Fügepartner unter einem 90°-Winkel aneinander gefügt, d.h. jede der einzelnen Fügepartner verfügt über eine ihm zuordenbare Längserstreckung, die im Fügebereich senkrecht zueinander orientiert sind, sind derzeit jedoch keine zuverlässigen Untersuchungsmethoden bekannt, mit Hilfe derer eine ausschließliche Beurteilung der Fügeverbindung möglich ist. Insbesondere derartige, unter vergleichsweise einer T-Form miteinander gefügte Fügepartner üben aufgrund ihrer gegenseitigen Anordnung einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Stabilität des Fügebereiches aus. Eine Beurteilung der Belastbarkeit ausschließlich einer derartigen Fügeverbindung ist daher nur vage oder zumindest nur unter Beeinflussung der Belastbarkeitseigenschaften der angrenzenden Fügepartner selbst möglich. Dies gilt umso mehr, wenn eine Vielzahl zu beurteilender Fügeverbindungen im Rahmen einer komplex aufgebauten mechanischen Struktur miteinander in Wechselwirkung treten. So finden im modernen Karosseriebau von Kraftfahrzeugen Space-Frame-Strukturen Einzug, die hochfeste, zumeist aus Aluminium bestehende Rahmenstrukturen darstellen, bei denen jedes Flächenelement mittragend in der Struktur integriert ist. In Verbindung mit derartigen hochfesten Karosserieblechen, zeichnet sich eine diese KFZ-Karosserie durch extrem hohe Steifigkeit und damit überdurchschnittliche Crash-Sicherheit aus, bei gleichzeitig deutlich geringerem Gewicht, sofern Leichtmetalle wie Aluminium eingesetzt werden. Aber insbesondere bei Space-Frame-Strukturen treten überwiegend Fügeverbindungen zwischen praktisch senkrecht aufeinander stehenden Hohlprofilen auf, die zumeist mit Kehlnähten verschweißt sind. Es liegt auf der Hand, dass zuverlässige Kenntnisse über den Beitrag der durch die Fügeverbindungen herrührenden Belastungseigenschaften gewonnen werden müssen, möchte man zuverlässige Stabilitätssaussagen über die Karosseriestruktur oder allgemein über die Tragwerksstruktur in ihrer Gesamtheit treffen können.

Zur Charakterisierung der Belastbarkeit derartiger 90°-Fügeverbindungen werden gegenwärtig entsprechende Prüfungen an der endgefertigten Struktur oder an Teilkomponenten davon durchgeführt. Für systematische Untersuchungen zur gezielten Optimierung der Crash-Toleranz der gesamten Verbindungs-Struktur, wie sie beispielsweise im Wege modellbasierter Parameteroptimierungen im Vorentwicklungsstadium durchgeführt wird, ist die bisherige Vorgehensweise zur Untersuchung am gesamten Karosseriemodell bzw. an der endgefertigten Kraftfahrzeugkarosserie zumeist zu ungenau und überdies zu aufwendig.

Darstellung der Erfindung

Es besteht die Aufgabe eine Möglichkeit zu schaffen, die Festigkeit bzw. mechanische Belastbarkeit von Fügeverbindungen, die den Zusammenhalt zweier unter 90° zueinander orientierter Fügepartner gewährleistet, exakt zu bestimmen. So soll es möglich sein, den Festigkeitsbeitrag, der von den Fügeverbindungen an der Gesamtfestigkeit komplexer Tragwerksstrukturen herrührt, wie beispielsweise Space-Frame-Strukturen, exakt zu ermitteln, um letztlich die Gesamtfestigkeit diesbezüglicher Strukturen zu optimieren. Von zentraler Bedeutung sind hierbei sogenannte T-Stoß-Fügeverbindungen, bei denen zwei Fügepartner unter einem 90°-Winkel miteinander verfügt sind, d.h. ein Fügepartner weist im Fügebereich einen eben ausgebildeten Oberflächenbereich auf, auf den der zweite Fügepartner stirnseitig aufliegt und längs seiner Stirnseite fest mit dem anderen Fügepartner im Wege einer Fügeverbindung, wie beispielsweise Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung verfügt ist. Hierzu gilt es, eine geeignete Probe anzugeben, die im Rahmen eines geeignet ausgebildeten Prüfverfahrens im Wege gezielter Zug- und/oder Biegebeanspruchungen zu untersuchen ist, um Aussagen über die mechanische Belastbarkeit einer derartigen Fügeverbindung anstellen zu können. Alle hierfür zu treffenden Massnahmen sollen möglichst kostengünstig und verfahrenstechnisch einfach zu realisieren sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 16 ist ein Verfahren zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei Fügepartnern. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Der Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen bzw. Fügepartnern, die über eine 90°-Fügeverbindung miteinander verbunden sind, wird eine Probe zugrunde gelegt, die zwei aus Flachmaterialien bestehende Fügepartner aufweist, von denen ein erster Fügepartner einen eben ausgebildeten Oberflächenbereich und der zweite Fügepartner eine Stirnseite aufweist, über die der zweite Fügepartner senkrecht den ersten Fügepartner überragend mit dem eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners eine feste Fügeverbindung eingeht. Beide Fügepartner können grundsätzlich mittels an sich bekannter Fügetechniken miteinander verbunden sein, so beispielsweise im Wege einer Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung. Wie im einzelnen der weiteren Beschreibung zu entnehmen ist, sind bevorzugt beide Fügepartner der Probe über eine Kehlnaht-Schweißverbindung miteinander verfügt, wie sie in der Roboterunterstüzten Karosseriefertigung, insbesondere bei der Herstellung von Space-Frame-Karosserien, bevorzugt eingesetzt wird.

Der erste, jeweils den eben ausgebildeten Oberflächenbereich aufweisende Fügepartner sieht zwei Einspannbereiche vor, die dem Bereich der Fügeverbindung gegenüberliegen und vorzugsweise symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Vorzugsweise mittig zwischen beiden Endbereichen des ersten Fügepartners ist stirnseitig der zweite Fügepartner mit dem eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners längs seiner Stirnseite bzw. Stoßkante verbunden und erstreckt sich im wesentlichen senkrecht über den eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners. Der Verbund aus beiden Fügepartnern stellt eine T-förmige Probe dar, die drei Einspannbereiche aufweist, die zur Belastungsprüfung der Fügeverbindung mit einer an sich bekannten Zug- und/oder Biegevorrichtung lösbar fest verbindbar sind.

Zur Herstellung der T-förmigen Probe können, wie bereits vorstehend erwähnt, beide miteinander zu verbindenden Fügepartner in Form streifenförmiger Musterzuschnitte aus nahezu beliebigem Material hergestellt werden, beispielsweise aus metallischen oder nichtmetallischen Flachmaterialien, die mit einer geeigneten Fügetechnik aneinander gefügt werden. Die Wahl der für die Fügepartner verwendeten Werkstoffe sowie die Art der Fügeverbindung richtet sich im wesentlichen nach der zu beurteilenden Tragwerkkonstruktion und die darin verwendeten Materialien sowie Fügetechniken, deren Belastbarkeit es gilt zu bestimmen. Mit Hilfe derartiger separat hergestellter T-Proben, die ohne allzu großen technischen Aufwand in großer Stückzahl gefertigt werden können, können durch Variation der Materialwahl sowie der Fügeverbindungen statistisch gesicherte Ergebnisse gewonnen werden, die einer zielführenden Optimierung von Fügeverbindungen zugrunde gelegt werden können. Ein weiterer sehr beachtlicher Vorteil ist auch darin zu sehen, dass mit einer Vielzahl ansonsten identisch ausgebildeter T-förmiger Proben Versuche für unterschiedliche Beanspruchungsarten durchgeführt werden können. So können die Proben zum einen einer gezielten Zugbeanspruchung unterworfen werden, zum anderen ist es möglich mit ansonsten identisch ausgebildeten Proben die Fügeverbindung entsprechend kontrollierten Biegebeanspruchungen auszusetzen. Die auf die Probe einwirkenden Zug- sowie auch Biegebeanspruchungen können darüber hinaus quasi statisch, zyklisch oder auch dynamisch, d.h. stoß- bzw. crash-artig, erfolgen, um unterschiedliche Belastungsszenarien zu simulieren.

Andererseits können entsprechend T-förmig ausgebildete Proben aus einer zu Untersuchungszwecken endgefertigten Tragwerkskonstruktion in geeigneter Weise isoliert bzw. herausgelöst werden, um sie in eine geeignet ausgebildete Zug- und/oder Biegebelastungsprüfvorrichtung einzuspannen. Hierdurch können konstruktionsnahe Erkenntnisse über die Festigkeit der im Endprodukt eingesetzten Fügeverbindungen unmittelbar gewonnnen werden.

Die lösungsgemäße T-förmige Probe ermöglicht es unter Verwendung an sich bekannter Zug- bzw. Biegeprüfvorrichtungen die zu untersuchende Fügeverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner kontrollierten Zug- bzw. Biegekräften auszusetzen, um letztlich das Belastungsverhalten sowie auch die Belastungsgrenze der jeweiligen Fügeverbindung zu untersuchen bzw. zu erfassen. Hierzu gilt es die Einspannbereiche des ersten Fügepartners jeweils in ein festes Gegenlager einzuspannen. Der Einspannbereich des zweiten Fügepartners, dessen Längserstreckung senkrecht zur Längserstreckung des ersten Fügepartners orientiert ist, wird zu Zwecken einer Zugprüfung in eine Zugprüfvorrichtung eingespannt. Zur Zugspannungsprüfung wird nun der zweite, mit der Zugspannungsprüfvorrichtung verbundene Fügepartner je nach Prüfvorgaben quasi statisch, zyklisch oder dynamisch senkrecht zum eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners von diesem abgewandt, d.h. in Erstreckungsrichtung des zweiten Fügepartnes kraftbeaufschlagt gezogen. Während der Zugspannungsprüfung wird der von Seiten der Zugspannungsprüfvorrichtung investierte Krafteintrag gemessen, bis letztlich die Probe durch zu starke Deformation längs einer sich ausbildenden Bruchlinie zerstört wird.

Soll hingegen die T-förmige Probe einer gezielten Biegebelastung im Bereich ihrer Fügeverbindung ausgesetzt werden, so wird die T-Probe gleichfalls dem vorstehend geschilderten Fall an ihren drei Einspannbereichen in eine Biegeprüfvorrichtung eingespannt, die den zweiten Fügepartner durch gezielten Krafteintrag parallel zum eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners deformiert. Auch im Falle der Überprüfung der Fügeverbindung hinsichtlich ihrer Biegebelastbarkeit wird der Krafteintrag je nach gewünschtem Untersuchungsziel quasi statisch, zyklisch oder dynamisch zur Simulation einer stoß- bzw. crash-artigen Belastung auf den Einspannbereich des zweiten Fügepartners vorgenommen.

Weitere Einzelheiten zur lösungsgemäßen T-förmigen Probe sowie deren Verwendung im Rahmen einer Zug- und Biegebelastungsprüfvorrichtung sind der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die konkreten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1a, b schematisierte Darstellung einer T-förmigen Probe mit kontrollierter Krafteinwirkung im Rahmen einer Zug- sowie Biegebelastungsprüfung,

2a, b, c schematisierte 3-Seiten-Darstellung einer T-Probe aus Musterzuschnitten,

3 T-Probe eingespannt in einer Zug-Prüfeinrichtung, sowie

4 T-Probe eingespannt in einer Biege-Prüfeinrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In 1a ist stark schematisiert eine T-förmig ausgebildete Probe 1 dargestellt, mit einem ersten plattenförmig bzw. streifenförmig ausgebildeten Fügepartner 2, dessen gegenüberliegende Enden Einspannbereiche 3, 4 vorsehen, die jeweils an mechanisch festen Gegenlagern 5 eingespannt sind. Mittig zwischen beiden Einspannbereichen 3, 4 ist auf einer Oberseite des Fügepartners ein zweiter Fügepartner 6, der ebenfalls platten- oder streifenförmig ausgebildet ist, über eine seiner Stirnseiten 7 mit der Oberfläche des ersten Fügepartners 2 fest verfügt. Die Fügeverbindung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch eine Kehlnahtschweißverbindung 8 realisiert, die einseitig längs der auf der Oberfläche des ersten Fügepartners 2 aufliegenden Stirnseite 7 des zweiten Fügepartners 6 verläuft. Da die den jeweiligen Fügepartnern 2, 6 zuordenbaren Längsachsen A und B senkrecht zueinander orientiert sind, stellt die in 1 gezeigte Probe eine T-Probe dar, die sich, wie die weiteren Ausführungen zeigen, in besonderer Weise für eine Zug- und Biegebelastungsprüfung eignet.

Für die in 1a dargestellte Zugbelastungsprüfung wird der zweite Fügepartner 6 mit seinem Einspannbereich 9, der der Stirnkante 7 gegenüberliegt, in eine konventionelle Zugprüfmaschine oder eine Schnellzerreißmaschine (beide Maschinen sind nicht dargestellt) eingespannt und in Richtung der Längserstreckung des zweiten Fügepartners 6 kraftbeaufschlagt gezogen (siehe Pfeildarstellung). Der auf den zweiten Fügepartner 6 einwirkende Krafteintrag F kann je nach Untersuchungsziel quasi statisch, zyklisch oder hochdynamisch erfolgen.

Wird hingegen die T-Probe 1 einem Biegebelastungsversuch unterzogen, so wird die T-Probe 1 gemäß Bilddarstellung in 1b in der gleichen Weise eingespannt wie im Falle des Ausführungsbeispiel gemäß 1a, lediglich erfolgt der Krafteintrag auf den Einspannbereich 9 des zweiten Fügepartners 6 senkrecht zu dessen Längserstreckung B sowie parallel bzw. ausschließlich parallel längs der Längserstreckung A des ersten Fügepartners 2. Der Krafteintrag F im Falle der in 1b dargestellten Biegeprüfung kann entweder in Richtung der Kehlnahtschweißverbindung 8 (siehe Krafteintrag F1), sowie auch entgegen der Kehlnahtrichtung (siehe Krafteintrag F2) erfolgen. Durch einen exakt parallel zur Längserstreckung des ersten Fügepartners 1 auf den Einspannbereich 9 des zweiten Fügepartners 6 gerichteten Krafteintrag F zur Biegebelastungsprüfung der zwischen beiden Fügepartnern vorherrschenden Fügeverbindung wird eine ausreichend hohe Zugkomponente auf die Fügeverbindung übertragen.

Um bei den durchzuführenden Belastungsprüfungen jenen Beitrag, der durch die Eigenstabilität der beiden Fügepartner selbst herrührt weitgehend auszuschließen und letztlich eine weitgehend ausschließliche Aussage über die Belastungsgrenzen der zwischen beiden Fügepartnern vorherrschenden Fügeverbindung selbst treffen zu können, haben sich für beide Fügepartner Formen als für besonders günstig erwiesen, die aus einer Drei-Seiten-Darstellung gemäß 2 im einzelnen hervorgehen. 2a stellt eine Seitenansicht, 2b eine Vorderansicht und 2c eine Draufsicht der T-förmigen Probe 1 dar. Aus der Draufsichtsdarstellung in 2c sind die Umrißkonturen des ersten Fügepartners 2 ersichtlich, der gleichfalls wie der zweite Fügepartner 6 aus einem streifenförmigen Flachmaterial, beispielsweise aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung besteht. Selbstverständlich ist es möglich, je nach Prüfvorgaben das Probenmaterial geeignet zu wählen. Neben gängigen metallischen Flachmaterialien, aus denen jeweilige Musterzuschnitte für Fügepartner in der in 2 angegebenen Weise gefertigt werden können und die üblicherweise mittels Schweiß- oder Lötverbindung miteinander verfügbar sind, können auch nichtmetallische Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe oder faserverstärkte Kunststoffe für die Ausbildung geeigneter Fügepartner eingesetzt werden, die üblicherweise zur Herstellung einer T-Probe mittels Klebetechnik aneinander gefügt werden können.

Zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 sei angemerkt, dass der erste Fügepartner 2 symmetrisch sowohl längs seiner Längsachse A als auch symmetrisch zu einer mittig den Fügepartner 2 senkrecht die Längsachse A durchsetzenden Symmetrieachse C ausgebildet ist. Der erste Fügepartner 2 weist jeweils zwei gegenüberliegende breit ausgebildete Einspannbereiche 3, 4 auf, die jeweils von einer Befestigungsöffnung 10 durchsetzt sind, über die die Einspannbereiche 3, 4 mit einem entsprechenden mechanischem Gegenlager fest verbindbar sind. Zwischen den Einspannbereichen 3, 4 sind jeweils zwei Übergangsbereiche 11, 12 vorgesehen, in denen der erste Fügepartner eine Taillierung aufweist, d.h. die Breite b1 des Fügepartners innerhalb der Einspannbereiche 3, 4 wird stetig auf eine Breite b2 reduziert, die der Fügepartner 2 im sogenannten Fügebereich 13 aufweist.

Aus der Vorderansicht gemäß 2b geht das Profil des zweiten Fügepartners 6 hervor, das gleichsam einer Symmetriehälfte des ersten Fügepartners 2 entsprechend ausgebildet ist. Auch der zweite Fügepartner 6 sieht einen Einspannbereich 14 vor mit einer Breite b1, die sich längs eines Übergangsbereiches 15 auf die Breite b2 reduziert. Auch der zweite Fügepartner 6 verfügt über einen Fügebereich 16, dessen Länge I typischerweise der halben Länge L des Fügebereiches 13 des ersten Fügepartners 2 entspricht (siehe 2c).

Die Dimensionierung der Längen L bzw. I der jeweiligen Fügebereiche 13 bzw. 16 ist derart gewählt, dass Flachmaterial, aus dem der jeweilige Fügepartner gefertigt ist, innerhalb des Fügebereiches 13, 16 enthalten ist, dessen Materialstruktur nicht durch den jeweiligen Fügevorgang beeinträchtigt ist. Im Falle der Herstellung einer Kehlnaht 8 werden durch den lokalen Hitzeeintrag sowohl randnahe Bereiche längs der Stirnseite des zweiten Fügepartners 6 als auch jene Mittenbereiche, an denen die Stirnseite 7 des zweiten Fügepartners 6 mit der Oberfläche des ersten Fügepartners 2 verbunden sind in ihrer Gefügestruktur verändert. Die Fügebereiche 13 und 16 erstrecken sich demzufolge jeweils über die durch den Fügevorgang strukturveränderten Materialbereiche hinaus in Materialbereiche, in denen das Flachmaterial unverändert ist.

Die Breitendimenionierung b2 der Fügebereiche 13, 16 und die damit einhergehende Taillierung der jeweiligen Fügepartner ist von der Materialwahl sowie Dickenwahl der jeweiligen Fügepartner abhängig. Die Breitenwahl b2 in den jeweiligen Fügebereichen 13, 16 sollte in einer Weise gewählt werden, dass bei entsprechenden Belastungsprüfungen eine erste Materialermüdung bzw.

Materialrissbildung im Fügebereich längs der Fügeverbindung auftritt und nicht in übrigen Bereichen der Fügepartner, so insbesondere nicht in den jeweiligen Einspannbereichen. Aus diesem Grunde sind die Übergangsbereiche 11, 12, 15 der jeweiligen Fügepartner mit stetig verlaufenden, runden Übergangskonturen ausgebildet, um lokale mechanische Spannungsüberhöhungen innerhalb der Fügepartner bedingt durch den kontrollierten Krafteintrag zu vermeiden. Die gezielte Taillierung der Fügepartner im Fügebereich stellt somit eine gezielte Materialschwächung der einzelnen Fügepartner in diesem Bereich dar.

Aus der Seitendarstellung gemäß 2a ist zu entnehmen, dass der erste Fügepartner 2 mit dem zweiten Fügepartner 6 über eine einzige Kehlnahtschweißverbindung 8 aneinander gefügt ist. Selbstverständlich ist es möglich, auch eine zweite Kehlnaht auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Fügepartners 6 vorzusehen. Ebenso können Löt- oder Klebverbindungen anstelle der Kehlnaht 8 vorgesehen werden. Die Wahl der jeweiligen Fügeverbindung richtet sich auch und insbesondere nach dem Material, aus dem die einzelnen Fügepartner gefertigt sind.

Neben der in 2 dargestellten T-Probe, die aus zwei senkrecht zueinander stehenden Fügepartner 2, 6 über eine Fügeverbindung zusammengesetzt ist, deren Fügepartner in Form einfach und kostengünstig herzustellender Musterzuschnitte bereitgestellt werden können und somit Belastungsprüfungen an Proben in großer Stückzahl ermöglichen, ist es auch möglich T-Proben aus bereits realisierten Tragwerkskonstruktionen zu isolieren und diese in Zug- oder Biegeprüfvorrichtungen in der vorstehend beschriebenen Weise zu integrieren, um eine Belastungsprüfung der zwischen zwei Fügepartnern vorherrschenden Fügeverbindung durchzuführen.

In 3 ist eine schematisierte Querschnittsdarstellung durch eine T-Probe 1 dargestellt, die in einer Zugprüfvorrichtung 19 eingespannt ist. Der erste Fügepartner 2 der T-Probe 1 ist mittels Befestigungsschrauben 17 fest in einem mechanischen Gegenlager 18 fixiert. Der senkrecht zum ersten Fügepartner 2 abstehende zweite Fügepartner 6 ist mit seinem Einspannbereich 14 mit einer Zugbelastungsvorrichtung 19 verbunden, die die T-Probe 1 in die durch den Kraftpfeil F vorgegebene Kraftrichtung belastet. Der zur Zugprüfung investierte Krafteintrag F wird während der gesamten Belastungsprüfung erfaßt, bis die durch die Kehlschweißnaht 8 vorgegebene Fügeverbindung ermüdet und zerstört wird.

In 4 ist ein entsprechender Querschnitt durch eine T-Probe 1 dargestellt, die zu Zwecken einer Biegebelastungsprüfung in eine Biegeprüfvorrichtung 20 eingespannt ist. Wieder sind die Einspannbereiche des ersten Fügepartners 2 fest mit einem festen Gegenlager 18 verbunden. Zur Biegebelastungsprüfung erfolgt nun ein parallel zur Längserstreckung des ersten Fügepartners 2 gerichteter Krafteintrag F auf den Einspannbereich 14 des zweiten Fügepartners 6. Der durch die Biegeprüfvorrichtung auf den zweiten Fügepartner 6 einwirkende Krafteintrag F erfolgt vollständig rotationsfrei parallel zur Längserstreckung des ersten Fügepartners 2. Auf diese Weise wird die durch die Kehlschweißnaht 8 vorgegebene Fügeverbindung einer Zugspannung ausgesetzt, durch die bei Überschreitung der Belastungsgrenze die Fügeverbindung aufbricht.

Je nach Prüfkonstellation erfolgt der Krafteintrag F in Richtung der Kehlnaht 8 oder wie im gezeigten Fall in 4 den von der Kehlnaht 8 abgewandten Richtung F.

1T-Probe 2Erster Fügepartner 3, 4Einspannbereich 5Gegenlager 6Zweiter Fügepartner 7Stirnseite 8Kehlschweißnaht 9Einspannbereich 10Öffnung 11, 12Übergangsbereich 13Fügebereich 14Einspannbereich 15n.n. 16n.n. 17Befestigungsschrauben 18Mechanisches Gegenlager 19Zugbelastungsprüfvorrichtung 20Biegebelastungsprüfvorrichtung

Anspruch[de]
  1. Probe zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern, von denen ein erster Fügepartner einen eben ausgebildeten Oberflächenbereich und der zweite Fügepartner eine Stirnseite aufweist, über die der zweite Fügepartner senkrecht den ersten Fügepartner überragend mit dem eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners eine feste Fügeverbindung eingeht, wobei beim ersten Fügepartner zwei Einspannbereiche vorgesehen sind, die der Fügeverbindung gegenüberliegen, und der zweite Fügepartner einen Einspannbereich aufweist, der der Fügeverbindung gegenüberliegt, und die Einspannbereiche zur lösbar festen Aufnahme in einer Zug- und/oder Biegevorrichtung ausgebildet sind.
  2. Probe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung eine Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung ist.
  3. Probe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung ein- oder beidseitig unmittelbar neben der Stirnseite des zweiten Fügepartners eine Schweißkehlnaht unter Ausbildung einer Stoffverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner aufweist.
  4. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung mittig zwischen beiden Einspannbereichen des ersten Fügepartners unter Ausbildung einer T-förmigen Probe vorgesehen ist.
  5. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner streifenförmige Musterzuschnitte aus metallischen oder nichtmetallischen Flachmaterialien sind.
  6. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe aus einer komplexen Verbindungsstruktur entnommen ist.
  7. Probe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Verbindungsstruktur eine Space Frame Struktur ist, aus der die Probe, bestehend aus zwei über eine Fügeverbindung in Art einer „T-Struktur" verbundene Fügepartner, isoliert ist.
  8. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner jeweils über eine weitgehend konstante Materialdicke verfügen und im Bereich der Fügeverbindung jeweils eine geringere Breite aufweisen als im jeweiligen Einspannbereich.
  9. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner plattenförmig ausgebildet ist und die Grundform eines Rechteckes aufweist, das durch eine Dicke, Länge und Breite bestimmt ist, dass der zweite Fügepartner plattenförmig ausgebildet ist und die Grundform eines Rechteckes aufweist, das durch eine Dicke, Länge und Breite bestimmt ist, dass mittig und orthogonal zur Längserstreckung des ersten Fügepartners die Stirnseite des zweiten Fügepartners mit dem ersten Fügepartner verfügt ist.
  10. Probe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner in Längsrichtung symmetrisch zur Fügeverbindung einen Bereich mit einer einheitlichen Breite aufweist, der sogenannte verjüngte Bereich, mit einer Breite, die kleiner als die Breite in den Einspannbereichen ist, und dass der zweite Fügepartner einen endseitig breit ausgebildeten Einspannbereich und gegenüberliegend zu diesem einen gegenüber dem Einspannbereich in der Breite gleichfalls verjüngten Bereich aufweist.
  11. Probe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verjüngten Bereiche des ersten und zweiten Fügepartners jeweils eine Länge aufweisen, die größer ist als eine sich beim Fügevorgang ergebende werkstoffmechanisch beeinflusste Zone, so dass zumindest Anteile vom Fügevorgang unbeeinflussten Flachmaterials in den verjüngten Bereichen enthalten sind.
  12. Probe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch zum Fügebereich im ersten Fügepartner jeweils ein Übergangsbereich vorgesehen ist, in dem sich die Breite des Fügebereiches kontinuierlich auf die Breite des Einspannbereiches aufweitet.
  13. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner aus einer AI-Legierung bestehen.
  14. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
  15. Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner unterschiedliche Flachmaterialstärken bzw. -dicken aufweisen.
  16. Verfahren zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern unter Verwendung einer Probe nach den Ansprüchen 1 bis 15,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannbereiche des ersten Fügepartners jeweils in ein festes Gegenlager eingespannt werden,

    dass der Einspannbereich des zweiten Fügepartners in eine Zugprüfvorrichtung eingespannt wird, und

    dass für eine Zugspannungsprüfung der Fügeverbindung der zweite Fügepartner senkrecht von dem eben ausgebildeten Oberflächenbereich des ersten Fügepartners abgewandt kraftbeaufschlagt gezogen wird.
  17. Verfahren zur Untersuchung der Belastbarkeit einer Fügeverbindung zwischen zwei aus Flachmaterialien bestehenden Fügepartnern unter Verwendung einer Probe nach den Ansprüchen 1 bis 15,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannbereiche des ersten Fügepartners jeweils in ein festes Gegenlager eingespannt werden,

    dass der Einspannbereich des zweiten Fügepartners in eine Biegeprüfvorrichtung eingespannt wird, und

    dass zur Prüfung einer Biegebelastung der Fügeverbindung ein Krafteintrag auf den zweiten Fügepartner parallel zum eben ausgebildeten Oberflächebereich des ersten Fügepartners erfolgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteintrag für die Zugspannungsprüfung oder für die Prüfung der Biegebelastung kontinuierlich, periodisch oder im Wege eines Schnellzerreißvorganges erfolgt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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