(FT0-9) Fügen – Überblick

 

Fügen – Grundlagen

“Beim Fügen erzeugen wir aus zwei oder mehreren einzelnen Werkstücken einen gemeinsamen festen Körper mit einer vorgegebenen Form.”

 

Dabei zeichnet sich das Fügen dadurch aus, dass ein Zusammenhalt zwischen verschiedenen Werkstücken / Bauteilen geschaffen wird. Dieser Zusammenhalt kann sowohl dauerhaft (Schweißen) als auch temporär (Zusammensetzen) gestaltet sein. 

Hauptsächlich unterscheiden wir neun Arten des Fügens nach DIN 8593

1. Fügen durch Zusammensetzen (DIN 8593-1)
2. Fügen durch Füllen (DIN 8593-2)
3. Fügen durch Anpressen oder Einpressen (DIN 8593-3)
4. Fügen durch Urformen (DIN 8593-4)
5. Fügen durch Umformen (DIN 8593-5)
6. Fügen durch Schweißen (DIN 8593-6)
7. Fügen durch Löten (DIN 8593-7)
8. Fügen durch Kleben (DIN 8593-8)
9. Textiles Fügen (DIN 8593-9)

Nachfolgend ist jede dieser Varianten einzeln aufgeführt.

 

 

Fügen durch Zusammensetzen

 

 

Die Verfahren des Zusammensetzen sind in der DIN 8593-1 organisiert, allesamt mit der Ordnungsnummer . Dabei lassen sich insgesamt 6 Verfahren voneinander unterscheiden. 

1. Zusammensetzen durch Auflegen & Aufsetzen (4.1.1)
2. Zusammensetzen durch Einlegen & Einsetzen (4.1.2)
3. Zusammensetzen durch Ineinanderschieben (4.1.3)
4. Zusammensetzen durch Einhängen (4.1.4)
5. Zusammensetzen durch Einrenken (4.1.5)
6. Zusammensetzen durch Einspreizen (federnd) (4.1.6)

 

Auflegen, Aufsetzen – Erklärung

Beim Auflegen oder Aufsetzen kommt vorrangig die Schwerkraft zum Einsatz. Letztere sorgt dafür, dass die Bauteile geschichtet werden. Die dabei entstehenden Gesamtform bezeichnet man als formschlüssige Verbindung. Die Verbindungflächen zwischen den Bauteilen können so gestaltet werden, dass ein rotieren oder verrutschen verhindert wird. 

 

Einlegen, Einsetzen – Erklärung

Das Einlegen oder Einsetzen erzeugt eine Fügung dadurch, dass in das Formelement eines Bauteils ein anderes passende Bauteil eingelegt wird.  Das im Kofferraum befindliche Reserverad befindet sich in einer passenden Vertiefung (Reserveradmulde). Dadurch ist es möglich, dass senkrecht zur Fügerichtung (Hülsenwandungen als Anschlag) Kräfte in seitlicher Wirkrichtung aufgenommen werden. 

 

Ineinanderschieben – Erklärung

Das Ineinanderschieben läuft nach ähnlichen Prinzip wie das Einlegen oder Einsetzen. Dabei werden zwei Varianten unterschieden. 

• Aufschieben & Aufziehen: Außenteil wird auf das Innenteil geschoben.
• Einschieben & Einführen: Innenteil wird in das Außenteil hineingeschoben. 

 

In der Praxis kommt dies dem Einsetzen eines Pfostens in eine passende Hülse im Boden gleich. Dadurch ist es möglich, dass senkrecht zur Fügerichtung (Hülsenwandungen als Anschlag) Kräfte in seitlicher Wirkrichtung aufgenommen werden. 

 

 

Einhängen – Erklärung

Beim Fügen durch Einhängen kommen Zugfedern zum Einsatz, in welche die Bauteile eingehängt und gesichert werden. Die Verbindung kann sowohl beweglich als auch starr erzeugt werden. Das mögliche Anwendungsgebiet (bspw. Kofferraumklappenschaniere) ist vergleichsweise groß, dass hohe Kräfte übertragen werden können und gleichzeitig der Montageaufwand relativ klein ausfällt. 

 

Einrenken – Erklärung

Das Einrenken kennzeichnet eine passende Kombination aus Schieben und Drehen. Man unterteilt das Einrenken in eine lineare (translatorische) und sich daran anschließende rotatorische Bewegung. Es entsteht ein Formschluss, bei welchem Haftkräfte einem Lösen der Verbindung entgegenwirken.

Im Alltag wirken Verschlüsse oder Lampenfassungen mit eingedrehter Glühbirne nach diesem Prinzip. Erst nach dem Überwinden der Haftreibung ist ein Lösen dieser Verbindung wieder möglich. 

Auch Paneele von Laminatböden werden beim Verlegen eingerenkt. 

 

Einspreizen – Erklärung

Beim Einspreizen (federnd) wird das zu fügende Teil im ersten Schritt elastisch verformt. Nachdem es eingelegt oder eingeschoben wurde entsteht die Verbindung infolge der elastischen Rückfederung. Auch hier gibt es viele unterschiedliche Varianten wie

• Schnappverbindung,
• Klipverbindung,
• Sicherungsringe,
• Spreizringe.

 

 

Fügen durch Füllen

 

 

Das Füllen, nicht selten auch Abfüllen oder Befüllen genannt beinhaltet das Einbringen von Stoffen (formlos) in Hohlräume oder Behälter. 

Eingebracht werden

• Flüssigkeiten,
• Gase,
• Pulver oder
• Pasten

in Zwischenräume.

Um eine Formstabilität der Verbindung zu erreichen, muss eine Phasenänderung oder chemische Reaktion erfolgen, damit die Füllung erstarrt. Neben der Fixierung ist nicht selten auch eine Isolierung durch oder Abfuhr von Wärme über die Füllung gewünscht. Als Einsatzstoffe verwendet man beispielsweise:

• Blei
• Gießharz
• Bauschaum
• Montageschaum

 

 

Fügen durch Anpressen & Einpressen

 

 

Die Verbindung durch Einpressen oder Anpressen erfolgt über eine elastische Verformung der Fügeteile, bzw. Hilfsfügeteile (Schrauben, Nägel). Ein unerwünschtes Lösen wird durch den erzeugten Kraftschluss verhindert. 

 

Je nach Realisierung unterscheidet man nachfolgende Konzepte:

• Schrauben – Verbindung erfolgt über eine Verschraubung (Stahlschrauben mit Mutter, Holzschrauben)
• Klemmen – Verbindung erfolgt über elastische Fügeteile mit Klemmspannung (Klemmen)
• Klammern – Verbindung starrer Fügeteile erfolgt über Klammerung mit Klammern (Klammerung von Kabeln in der Elektrotechnik)
• Pressverbindung – Verbindung durch Einpressen eines meist konischen (kegelförmigen) Fügeteils in minimal kleinere ebenfalls konische Aussparung des Außenteils. Nicht selten wird für eine einfachere Verbindung als Fügeteil heruntergekühlt oder das Außenteil erwärmt (thermisches Aufweiten).  Die bei diesem Verpressen entstehende Verbindung lässt sich nach dem Abkühlen nur schwer wieder auflösen. Bei dünnwandigen Teile die mit Werkzeugen aufgeweitet werden, spricht man spezielle von einer Crimpverbindung.  Weitere Verfahren sind das Bördeln, Quetschen, Falten oder Falzen. 
• Nageln & Einschlagen – Verbindung erfolgt mit einer Nagelung (Einschlagen eines Nagels) oder Verbolzung (Einschlagen eines Bolzens) in ein Vollmaterial. Das Fügen mit Hilfe von Bolzen wird zudem als Bolzensetzen bezeichnet. 
• Verkeilen – Verbindung erfolgt durch Verkeilung indem ein oder mehrere Keile in einen Zwischenraum von Innen- und Außenteil eingetrieben werden. 
• Verspannen – Verbindung erfolgt durch Verspannung mit Hilfe einer kraftschlüssigen Verbindung durch Aneinanderpressen von Teilen. 

 

Fügen durch Urformen

 

 

Beim Fügen durch Urformen werden Verbindungen zwischen einem Bauteil und einem Ergänzungswerkstück (formloser Stoff) oder mit einem zusätzlichen formlosem Stoff in Hohlräume erzeugt. Alternativ kann eine Verbindung zwischen zwei Stoffen auch durch nachträgliches Umgießen beider in eine neue Form erzeugt werden. 

Je nach Durchführung werden nachfolgende Konzepte angewendet:

• Ausgießen
• Einbetten
• Eingießen
• Einvulkanisieren
• Umspritzen
• Vergießen
• Ummanteln
• Kitten
• Eingalvanisieren 

 

Fügen durch Umformen

 

 

Die Umformverfahren des Fügens sind Verfahren die aus der Hauptgruppe des Umformens stammen. Die Verfahren, welche am Häufigsten angewendet werden sind das Nieten, Clinchen (Durchsetzungsfügen) und das Bördeln. Dabei unterscheidet man ob die Werkstücke selbst oder ein Hilfsgefügeteil, wie eine Niete, umgeformt werden. 

Je nach Durchführung werden nachfolgende Konzepte angewendet:

• Biegen,
• Bördeln,
• Clinchen (Durchsetzungsfügen),
• Einhalsen,
• Engen,
• Falzen,
• Kerben,
• Körnen,
• Kragenziehen,
• Nieten,
• Spreizen,
• Verlappen,
• Weiten.

Handelt es sich um Werkstücke aus Draht kommen Verfahren aus dem Bereich des Drahtflechtens hinzu. Dazu zählen das gemeinsame Verdrehen, Verseilen, Spleißen, Knoten, Drahtweben & Heften hinzu. 

 

Fügen durch Schweißen

 

Laut DIN 1910 und DIN EN 14610 ist Schweißen das Vereinigen von Werkstücken in der Schweißzone durch den Einsatz von Wärme und/oder Kraft mit oder ohne Schweißzusatz. 

 

Der Schweißvorgang kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe erfolgen. Kommt ein Zusatzwerkstoff zum Einsatz, handelt es sich dabei um Stäbe oder Drähte, die abgeschmolzen werden und anschließend in der Fuge zwischen den Fügepartnern erstarrt. Die erforderliche Schweißwärme wird entweder von außen zugeführt oder entsteht durch Reibung an der Fuge selber, wie beim Reibschweißen. 

Unterstützt wird der Schweißvorgang durch Hilfsstoffe wie

• Schutzgase (Inertgase),
• Schweißpulver,
• Flussmittel oder
• Pasten. 

Das Schweißen ist das wichtigste und verbreitetste Fügeverfahren weltweit. Denn im Gegensatz zu anderen Verfahren wie dem Verschrauben ist es wesentlich günstiger und platzsparender. Darüber hinaus können wesentlich höhere Festigkeiten realisiert werden. 

Die Anzahl, der für das Schweißen geeigneten Werkstoffe beschränkt sich auf Metalle, Thermoplasten (Kunststoffe) und Werkstoffe wie beispielsweise Glas. 

 

 

Grob unterschieden werden kann das Schweißen (Metallschweißen) in zwei Hauptgruppen nach DIN 1910-100. Wir unterscheiden das Schmelzschweißen und das Pressschweißen. 

 

Verfahren des Schmelzschweißens

Zur Gruppe des Schmelzschweißen zählen nachfolgende Verfahren:

• Gießschmelzschweißen (Energieträger: Flüssigkeit),
• Gasschmelzschweißen (Energieträger: Gas),
• Lichtbogenschmelzschweißen (Energieträger: Elektrische Gasentladung),
• Strahlschweißen (Energieträger: Strahl),
• Widerstandsschmelzschweißen (Energieträger: Elektrischer Strom).

 Hervorzuheben ist hier das Lichtbogenschmelzschweißen, welches noch weitere Unterformen aufweist:

• E-Handschweißen,
• UP-Schweißen,
• MAG-Schweißen,
• MIG-Schweißen,
• WIG-Schweißen,
• Plasmaschweißen,
• E-Gasschweißen

 

Verfahren des Pressschweißens

• Gaspressschweißen (Energieträger: Gas),
• Feuerschweißen (Energieträger: Gas),
• Lichtbogenpressschweißen (Energieträger: Elektrische Gasentladung),
• Kaltpressschweißen (Energieträger: Bewegung von Masse),
• Sprengschweißen (Energieträger: Bewegung von Masse),
• US-Schweißen (Energieträger: Bewegung von Masse),
• Widerstandspressschweißen (Energieträger: Elektrischer Strom)

Hervorzuheben ist hier das Widerstandspressschweißen, welches noch weitere Unterformen aufweist:

• HF-Schweißen,
• Abbrennstumpfschweißen,
• Pressstumpfschweißen,
• Folienstumpfschweißen,
• Quetschnahtschweißen,
• Überlapprollennahtschweißen,
• Buckelschweißen,
• Widerstandspunktschweißen.

 

Fügen durch Löten

 

 

Das Löten zählt zu den thermischen Verfahren des Fügens und erzeugt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Werkstoffen. Die flüssige Phase zwischen den Werkstoffen entsteht durch die Verflüssigung eines Lotes, wie beim Schmelzlöten, oder durch die Diffusion an den Grenzflächen, wie beim Diffusionslöten. 

Im Gegensatz zum Schweißen wird der Grundwerkstoff nicht aufgeschmolzen, da die zugeführte Wärme unterhalt der Liquidustemperatur (Schmelztemperatur) des Grundwerkstoffes liegt. Vielmehr wird eine Oberflächenlegierung erzeugt.  Dadurch wird der Grundwerkstoff nur gering thermische beansprucht und gleichzeitig weist diese stoffschlüssige Verbindung eine höhere Elastizität auf. 

Besonders in der Elektrotechnik und im Sanitärbereich wird vorrangig auf Löten gesetzt. Das Löten hat zudem den Vorteil, dass auch unterschiedliche Metalle miteinander gefügt werden können. 

 

Lötverfahren – Einteilung nach Liquidustemperatur des Lotes

Wir unterscheiden hier 3 Verfahrensarten

• Weichlöten – Die Liquidustemperatur des Lotes liegt unterhalb von 450°C (Geeignetes Lot: Blei, Zink, Zinn) – Anwendung: Löten von Platinen
• Hartlöten – Die Liquidustemperatur des Lotes liegt oberhalb von 450°C (Geeignetes Lot: Silberlegierungen, Kupferlegierungen) – Anwendung: Löten von Schneiden auf Sägeblätter
• Hochtemperaturlöten – Die Liquidustemperatur des Lotes liegt oberhalb von 900°C (Geeignetes Lot: Kupferbasislot, Nickelbasislot, Goldnickelbasislot) – Anwendung: Löten von Triebwerkteilen 

 

Hartlötverbindungen sind fester als Weichlötverbindungen, liegen jedoch unterhalb der Festigkeitswerte, die eine Schweißverbindung aufweist. 

Hochtemperaturlötverbindungen werden entweder im Vakuum oder innerhalb eine Schutzgasatmosphäre erzeugt. 

 

Lötverfahren – Einteilung nach Art der Durchführung

• Amorphe Lötfolie,
• Dampfphasenlöten,
• Diffusionslöten,
• Heißluftlöten,
• Induktives Löten,
• Kaltlöten,
• Laserlöten,
• Lichtbogenlöten,
• Löten mit offener Gasflamme,
• Mikrolöten,
• Reflow-Löten,
• Tauchlöten,
• Ultraschalllöten,
• Wellenlöten,
• Widerstandslöten.

 

Hervorzuheben ist hier das Lichtbogenlöten, welches noch weitere Unterformen aufweist:

Wir unterscheiden drei Unterformen

• MIG-Löten,
• WIG-Löten,
• Plasmalöten.

 

Lötvorgang – Benetzen, Fließen, Binden

Das Löten umfasst insgesamt drei Teilschritte. 

1. Benetzen: Im ersten Schritt wird das flüssige Lot auf die erwärmte Werkstoffoberfläche aufgetragen, wo es sich ausbreitet. Im Rahmen der Ausbreitung entsteht eine enge Verbindung zwischen Lot und Werkstoff, indem das Lot in das Werkstoffgefüge eindringt und eine Legierung bildet. Man spricht hier von einer Diffusion. 
2. Fließen: Im zweiten Schritt breitet sich das flüssige Lot weiter aus und füllt dabei den Lötspalt aus. Um eine ausreichend hohe Kapillarwirkung erzielen zu können, muss darauf geachtet werden, dass der Lötspalt nicht zu groß gewählt wird. 
3. Binden: Im dritten und letzten Schritt dringt das flüssige Lot entlang der Korngrenzen (im Werkstoffgefüge) in den Grundwerkstoff ein und erzeugt somit die Legierung. Nach eine kurzen Abkühlzeit erstarrt das Lot und überschüssiges Lotmaterial kann anschließend von der Lötstelle entfernt werden.  

 

Fügen durch Kleben

 

 

Einsatzbereiche und Anforderungen

Das Kleben zeichnet sich durch seine einfache und schnelle Handhabung aus, weshalb es in vielen Bereichen der Industrie verwendet wird. So werden

• Gehäuse mit Klebstoff abgedichtet,
• Schrauben gegen lösen gesichert,
• Lager starr befestigt. 

Speziell im Fahrzeugbau und Flugzeugbau sowie der Elektroindustrie werden Bauteile mit Klebstoffen verbunden. Die verwendeten Klebstoffe härten entweder chemisch oder physikalisch aus. 

• Anders als vielleicht im Hausgebrauch, sind die Klebeflächen eine Klebeverbindung zu Industriezwecken richtig vorzubehandeln.
• Auch die Auswahl des Klebstoffes muss entsprechend den Anforderungen (Festigkeit, Warmfestigkeit) getroffen werden. 
• Auch für den Anwender gilt es zu beachten, dass die meisten industriellen Kleber (Kunststoffhaltig) bei der Verarbeitung gesundheitsgefährdende Dämpfe entwickeln und bei direktem Hautkontakt Reizungen verursachen können.  

 

Aufgepasst! Da das Kleben ebenfalls ein besonders umfangreicher Verfahrenszweig ist, folgt in einem späteren Abschnitt eine umfangreiche Betrachtung mit der Einzelvorstellung der Verfahren und Besonderheiten (Kohäsion, Adhäsion, Vorbehandlung der Oberflächen). 

 

Klebstoffarten

Wie bereits erwähnt, kommen chemisch oder physikalisch härtende Klebstoffe zum Einsatz.

 

Physikalisch härtende Klebstoffe:

• Schmelzklebstoffe: Diese festen und lösungsmittelfreien Klebstoffe werden im geschmolzenen Zustand aufgetragen und bilden nach dem Erstarren eine feste Verbindung zwischen den Fügepartnern. 
• Nassklebstoffe: Diese lösungsmittelhaltigen Klebstoffe kennzeichnet, dass die feste Verbindung zwischen den Fügepartner erst mit dem Verdunsten des Lösungsmittels entsteht. 

 

Chemisch härtende Klebstoffe:

Die Unterscheidung kann hier zweifach vorgenommen werden in:

• Kaltklebstoffe
• Warmklebstoffe

diese werden zudem unterschieden in 

• Einkomponentenklebstoffe
• Zweikomponentenklebstoffe

Gemein haben diese Klebstoffe, dass es sich um Reaktionsklebstoffe handelt, die ihre Klebefähigkeit infolge einer chemischen Reaktion erlangen, die teilweise mehrere Stunden andauern kann. Die volle Belastbarkeit erlangt ein chemisch härtender Klebstoff erst nach der vollständigen Aushärtung. 

 

Klebstoffeigenschaften

Das Kleben zeigt zudem weitere positive Eigenschaften, die es als Verbindungsart so beliebt macht:

• Verbindung ist dicht,
• Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung zumeist gleichmäßig,
• Keine thermischen Gefügeänderungen am Werkstoff,
• Kein thermische Bauverzug,
• Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe möglich,
• Klebeverbindungen sind leicht und daher für den Leichtbau geeignet,
• Nicht korrosionsanfällig

 

Textiles Fügen

 

 

Der Zusammenhalt zwischen den Fügeteilen wird beim Textilen Fügen durch einen Formschluss, Kraftschluss als auch Stoffschluss erzeugt. 

Die Verfahren die dem Textilen Fügen zugeordnet werden sind:

• Spinnen und Zwirnen: Aus textilen Fasern werden Fäden (Zwirne, Garne) erzeugt.
• Weben, Stricken, Flechten & Knoten sowie Knüpfen: Aus Garnen und Zwirnen werden textile Flächengebilde (bspw. Tücher, Planen, Bekleidung) erzeugt. 
• Vlieslegen: Lose Fasern werden zusammengelegt und erhalten ihren sehr schwachen Zusammenhalt durch Haftreibung. 
• Nähen: Textile Werkstoffe werden durch Nähgarn miteinander fest verbunden. 

 

 

Was gibt es noch bei uns?

 

 

 

Dein Technikermathe.de-Team