Ziel der Entwicklung
Mechanische Fügeverfahren wie zum Bespiel mit Schließringbolzen („SRB“) als Fügemittel erlauben sichere und dauerfeste Verbindungen in Bereichen wie dem Fahrzeug-, Maschinen- und Stahlbau. Schwerpunkt der Qualitätskontrolle war bisher vor allem die mechanische Integrität der Verbindung. Der Korrosionsschutz von Schließringbolzenverbindungen kann durch partielle Öffnung der fertigungsseitig dicht verschlossenen Spalträume, so im Bereich zwischen Bolzenkopf und einem Fügepartner, infolge (zyklischer) mechanischer Belastung und damit einhergehendem Eindringen von Korrosionsmedium gefährdet sein. Bei Anwendungen mit Mischbauweise bestehen zudem Gefährdungen durch Bimetallkorrosion infolge der Materialpaarungen. Bisher bestand keine Möglichkeit, Hinweise auf beginnende Korrosionsvorgänge in diesem Spaltraum während der mechanischen Prüfung oder gar in der Anwendung (zerstörungsfrei) zu erhalten. Es bestand aus Anwendersicht der Wunsch, diese Lücke zu füllen und eine geeignete Methode in die bestehenden Verfahren der Qualitätssicherung zu integrieren.
Ziel des Untersuchungsprogramms war es, durch eine elektrochemische Instrumentierung herkömmlicher Zugprüfeinrichtungen Korrosionsgefährdungen ausgewählter mechanischer, form- und kraftschlüssiger Fügeverbindungen am Übergang Fügeelementkopf / Fügepartner belastungssynchron zu ermitteln. Dazu sollten freie Korrosionspotentiale sowie Potentialrauschsignale bewertet werden, welche bei einer partiellen Spaltöffnung von ursprünglich dichten Fügeflanschflächen bei Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten unter Wirkung der Scherzugbelastung detektierbare Veränderungen erfahren. Eine detektierte Spaltöffnung kann vom Standpunkt der mechanischen und der korrosionsbezogenen Beständigkeit bewertet werden. Fügefehler und damit verbundene Korrosionsgefährdungen lassen sich frühzeitig erkennen. Das Verfahren sollte dabei ohne aufwändige technische Aufrüstung bestehender, im Bereich der Produktentwicklung und Qualitätssicherung verwendeter Zugprüfmaschinen realisiert werden.
Vorteile und Lösungen
Es wurde eine elektrochemische Messzelle entwickelt, mit welcher Scherzugproben mit Schließringbolzenverbindung im Bereich des Bolzenkopfes sowie ohne Verbindung in der Zugprüfmaschine einem mechanischen Belastungsregime bei gleichzeitiger Einwirkung eines Elektrolyten ausgesetzt werden können. Dabei konnte die Elektrolytabdichtung bei gleichzeitiger Toleranz gegenüber der Probenverformung im Zugversuch unter verschiedenen geometrischen und mechanischen Bedingungen erreicht werden. Die Flexibilität der Zelle erlaubt Messungen mit verschiedenen Klemmlängen und Bolzengeometrien, aber auch eine Aufrüstung mit weiteren Einbauten. Somit können elektrochemische Kennwerte wie Ruhepotential und Potentialrauschen belastungssynchron aufgezeichnet werden. Diese lassen bei mechanischer Zugbelastung und Anwesenheit eines wässrigen Mediums charakteristische Änderungen erkennen, wenn Passiv- oder Deckschichten des Grundwerkstoffes (Fügepartner) aufreißen oder eine Spaltöffnung im Fügebereich unter dem Bolzenkopf auftritt. Die getrennte Untersuchung von ungefügten und gefügten Proben erlaubt hierbei eine bessere Bewertung und Zuordnung der elektrochemischen Daten.
Weiterhin konnte das Rauschverhalten der untersuchten Werkstoffe durch eine gezielte Elektrolytauswahl eingestellt und somit eine Grundlage für die Unterscheidung verschiedener Signalquellen gelegt werden.
Zur Ertüchtigung der elektrochemischen Messapparatur mussten individuelle Anpassungen einer Reihe von kaum dokumentierten Potentiostateneinstellungen sowie der Probengeometrie vorgenommen werden, um verwertbare Rauschdaten zu erhalten. Vergleichende Messungen mit digital bzw. analog aufgebauten Potentiostaten erleichterten diese Aufgabe. Unter anderem konnten Einflüsse der Signalverstärkung und der untersuchten Messfläche deutlich gemacht werden. Es hat sich gezeigt, dass eine hinreichende Verstärkung und eine kleine Messfläche essentiell für die Untersuchungen des elektrochemischen Rauschens sind. Weiterhin sind hier die Bemühungen um geeignete Abschirm-maßnahmen zu nennen, welche zu praktikablen Lösungen führten.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen und erarbeiteten Entwicklungsstufen konnten wesentliche Elemente einer Verfahrensbeschreibung als Instrument der Qualitätssicherung von Schließringbolzenverbindungen definiert werden. Die Datenbasis muss noch erweitert werden, um diesen Prozess abzuschließen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die relevanten Zielgruppen und -märkte werden vom Nutzfahrzeug- und Schienenfahrzeugbau bestimmt. Es ist aber davon auszugehen, dass der Anteil der Schließringbolzentechnologie im Maschinen- und Stahlbausektor, zum Beispiel bei der Windkraft mit dem Einsatz in Gittermasttürmen, weiter steigen wird. Nicht selten werden Schraubenverbindungen ersetzt, um eine erhöhte Vibrationssicherheit und verringerten Wartungsaufwand zu erzielen. Der effizienten Qualitätskontrolle kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Dadurch verfügen diese Firmen über eine Reihe eigener Prüfverfahren und Prüfgeräte sowie entsprechendes Wissen. Ein Teil der Qualitätskontrolle wird, oftmals zu Absicherungszwecken, an externe Anbieter vergeben. Mit dem zu entwickelnden Verfahren soll eine sensible Prüfmethode für die o.g. Zielmärkte zur Verfügung gestellt werden.
Die Bestrebungen des Leichtbaus, gestiegene Anforderungen an die mechanische Stabilität bei statischen und dynamischen Bauteilbelastungen, aber auch die Erfordernisse des korrosionsschutzgerechten Konstruierens haben zur Etablierung neuer Fügevarianten geführt und sind Antrieb für deren Weiterentwicklung. Die Verbindungsmittelhersteller haben sich in der Regel spezialisiert und können so infolge der unterschiedlichen Bedürfnisse seitens der Verarbeiter bei Einhaltung hoher Qualitätsstandards prinzipiell nebeneinander bestehen. Wie bereits erwähnt, werden Schraubenverbindungen in einigen Anwendungsfeldern durch SRB-Systeme ersetzt. Dadurch ist mit weiter einem steigenden Marktanteil dieser Technologie zu rechnen. Die beteiligten Fügemittelhersteller zeigen sehr innovative Entwicklungen, welche durch universitäre Forschung und die Etablierung bei Anwendern begleitet wird. Dieses Umfeld erleichtert die Einführung und Etablierung des Verfahrens.
SRB-Fügeverbindungen sind neben Schraubenverbindungen seit langem bewährt. So ist der Verarbeitungsanteil von Schließringbolzen z.B. im Schienenfahrzeugbau heute bereits hoch und unterstützt dort die Umsetzung gängiger Leichtbaukonzepte (z.B. Integral-, Mischbauweisen). Wie bereits dargelegt, werden zudem neue Anwendungsfelder für den SRB-Einsatz interessant. Mit dem Wunsch nach Wartungsfreiheit während der Nutzungsdauer gehen aber auch neue Anforderungen an den Korrosionsschutz einher, welcher nicht allein durch die bisher auf mechanische Eigenschaften ausgerichtete Qualitätsprüfung abgedeckt werden kann. Hier setzt die Entwicklung an. Mit der integrierbaren elektrochemischen Instrumentierung sollen korrosionsrelevante Schwachpunkte der Fügeverbindung ermittelt werden, um Einfluss auf die korrosionsschutzgerechte Herstellung der Verbindung zu nehmen. Im Fokus stehen hierbei die Fügemittel selbst, die Werkstoffkombinationen und der Fügeprozess (Setzvorgang).
Bestehende Kontakte zu Fügemittelgerstellern und Anwendern aus den benannten Bereichen sollen genutzt werden, um die gewonnenen Erkenntnisse und Verfahrensgrundlagen im Rahmen eines angestrebten Folgeprojektes auf Prüfstände der Qualitätssicherung sowie entsprechende Musterproben zu übertragen. Auf diese Weise soll eine Markteinführung des Verfahrens vorbereitet sowie Anpassungen durch Praxisvorgaben berücksichtigt werden.
Die zu erwartenden wirtschaftlichen Effekte der internen Verwertung dieser Entwicklung speisen sich aus Untersuchungen an gefügten Proben zum Zwecke der Qualitätskontrolle und der Schadensfallaufklärung bzw. aus dem Erkenntnisgewinn in Form von ingenieurtechnischen Beratungs- und Prüfdienstleistungen sowie Weiterbildungsangeboten.