Kleben von Aluminium in der Automobilmontage

May 08, 2023

Im letzten Jahrzehnt hat sich der durchschnittliche Aluminiumanteil in Pkw verdoppelt. Basierend auf den neuesten Designs wird sich dieser Trend in den kommenden Jahren fortsetzen.

Der Umstieg von Stahl auf Aluminium ist jedoch nicht einfach. Aluminium ist beispielsweise 50 Prozent leichter als Stahl, hat aber einen durchschnittlichen Elastizitätsmodul von 70 Gigapascal, während der von Stahl 207 Gigapascal beträgt. Daher sind Aluminiumteile typischerweise 40 Prozent dicker als ihre Gegenstücke aus Stahl.

Aluminiumlegierungen lassen sich nicht leicht punktschweißen. Sie haben einen geringen elektrischen Widerstand, eine stabile und nicht leitende Oxidschicht und neigen zur Wechselwirkung mit den Elektroden. Darüber hinaus kann die Hitze des Schweißprozesses die Teile schwächen, insbesondere ihre Ermüdungsfestigkeit.

Anstelle von Schweißen verwenden Automobilhersteller zunehmend Strukturklebstoffe für die Montage, entweder allein oder in Kombination mit mechanischen Befestigungselementen. So verfügt die Rohkarosserie des Mercedes S-Klasse Coupés über mehr als 100 Meter Strukturklebstoffe und im BMW 7er sind mehr als 10 Kilogramm Strukturklebstoff enthalten.

Neben strukturellen Anwendungen nutzen Automobilhersteller Klebstoffe auch für andere Rohkarosserieanwendungen. „Anti-Flatter“-Klebstoffe reduzieren Vibrationen zwischen äußeren und inneren Karosserieteilen. Solche Klebstoffe werden üblicherweise auf horizontalen Teilen wie der Motorhaube, dem Kofferraumdeckel und dem Dach verwendet. Klebstoffe werden auch zum Verbinden und Abdichten der Saumflanschbereiche an Türen, Motorhauben und Heckklappen verwendet.

Klebstoffe bieten gegenüber anderen Verbindungstechniken erhebliche Vorteile. Durch die Klebeverbindung wird die Aluminiummetallurgie nicht beeinträchtigt und es entstehen keine thermisch oder mechanisch geschwächten Zonen. Die Spannung wird gleichmäßig über die gesamte Klebefläche verteilt, was die statische und dynamische Steifigkeit der Fahrzeugstruktur erhöht. Da die Karosseriestruktur steifer ist, sind die Resonanzfrequenzmoden höher und die Strukturdämpfung schneller. Dadurch weist das Fahrzeug bessere Geräusch-, Vibrations- und Härteeigenschaften auf. In Kombination mit anderen Verbindungstechniken verbessern Klebstoffe das Crashverhalten und die Ermüdungsfestigkeit. Klebstoffe ermöglichen auch das Verbinden unterschiedlicher Materialien und schützen durch die Isolierung unterschiedlicher Metalle vor galvanischer Korrosion.

Ein weiterer Vorteil der Klebeverbindung ist die Ästhetik. Es gibt keine sichtbaren Schweißnähte oder Nietköpfe, so dass durch die Klebeverbindung Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen und Polieren minimiert oder entfallen können. Ein weiterer Vorteil ist das Füllen von Lücken. Klebstoffe können große Lücken zwischen Paneelen überbrücken und das Gesamterscheinungsbild der Baugruppe verbessern. In vielen Fällen können Füge- und Dichtvorgänge kombiniert werden.

Das Kleben bringt auch einige Nachteile mit sich. Zu den wichtigsten zählt die Haltbarkeit von Klebeverbindungen unter rauen Umgebungsbedingungen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Substrate möglicherweise vorbehandelt werden müssen, um starke, dauerhafte Verbindungen zu erreichen, insbesondere bei Aluminiumlegierungen. Ebenso wie Schweißverbindungen lassen sich Verbundkonstruktionen für Reparaturen nicht einfach demontieren. Und in vielen Fällen muss die Verbindung möglicherweise unterstützt werden, bis der Klebstoff ausgehärtet ist, was die Produktion verlangsamen kann. Dies ist einer der Gründe, warum Strukturklebstoffe typischerweise in Kombination mit anderen Verbindungsmethoden wie Nieten verwendet werden.

Klebstoffe können auf Aluminiumblechen, Strangpressteilen und Gussteilen verwendet werden. Unabhängig von der Form muss die Aluminiumoberfläche wie folgt behandelt werden:

Besonders wichtig ist die Entfernung der schwachen Grenzschicht. Diese Schicht bildet sich im Grenzflächenbereich einer Klebeverbindung und führt dazu, dass die Verbindung bei geringeren Belastungen als erwartet versagt. Diese Schicht enthält Oxide und Verunreinigungen, wie z. B. Schmierstoffe, aus verschiedenen Herstellungsprozessen. Durch die Oberflächenvorbereitung werden diese Verunreinigungen höchstwahrscheinlich nicht vollständig entfernt, es entsteht jedoch eine Oberfläche, die weniger von Kohäsionsschwächen betroffen ist.

Zur Herstellung von Aluminiumblechen wird Aluminium einem Warm- oder Kaltwalzprozess unterzogen. Um die Rollen und das Werkstück getrennt zu halten, werden Schmierstoffe aufgetragen. Dadurch wird die Reibung minimiert und das Risiko einer Beschädigung der Plattenoberfläche verringert. Die Schmierstoffe basieren typischerweise auf Paraffin und verflüchtigen sich beim Glühen oder durch natürliche Verdunstung. Allerdings kann die gewalzte Oberfläche noch einen gewissen Grad an Verschmutzung aufweisen, der durch eine Entfettung entfernt werden muss.

Aluminium ist sehr reaktiv und hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff. Wenn es Luft ausgesetzt wird, bildet sich augenblicklich eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche.

Wenn sich die Oxidschicht bei einer Temperatur unter 375 °C bildet, besteht sie aus einer dünnen, amorphen Schicht aus Al2O3 mit einer Dicke von 1 bis 2 Nanometern, die von hydratisierten Oberflächenoxiden und -hydroxiden bedeckt ist. Insgesamt kann die Oxidschicht zwischen 2 und 60 Nanometer dick sein. Oxidation und Hydratation können durch das Vorhandensein von Alkali- und Erdalkalielementen wie Lithium, Natrium und Magnesium beschleunigt werden, die an der Oberfläche oder an der Metall-Metalloxid-Grenzfläche getrennt sind. Insbesondere Magnesium kann bei der Wärmebehandlung an die Oberfläche wandern. Aluminiumhydroxide eignen sich tatsächlich gut für die Wechselwirkung mit den sauren polaren Stellen von Polymeren. Allerdings kann die Hydratation die Gesamthaftungsleistung verringern, da dadurch schwächere basische Stellen auf der Oberfläche entstehen.

Wenn sich die Oxidschicht bei einer Temperatur über 400 °C bildet, kann das amorphe Oxid aufgrund der thermischen Ausdehnung reißen und es kann sich kristallines Al2O3 bilden. Dies kann sich nachteilig auf die Gesamthaftung auswirken. Die Anwesenheit von Magnesium fördert auch das Wachstum von kristallinem Oxid.

Ein weiteres Merkmal von Aluminium nach dem Walzen ist die sogenannte oberflächennahe Verformungsschicht (NSDL). Wenn die Walze die Oberfläche des Metalls berührt, kann es zu Rissen in der Oxidschicht kommen. Wenn das Blech die Walze verlässt, können Metalle oder intermetallische Verbindungen an der Oberfläche der Walze haften bleiben. In aufeinanderfolgenden Walzzyklen lagern sich diese Partikel erneut auf der Blechoberfläche ab und erzeugen noch mehr Unvollkommenheiten oder Risse in der Oxidschicht. Durch diesen Prozess entsteht auf der Oberfläche des Aluminiums eine Schicht, die sich vom darunter liegenden Metall unterscheidet. Diese Schicht ist die NSDL.

Die Dicke des NSDL variiert je nach Walzwerk zwischen 1,5 und 8 Mikrometer. Sowohl beim Warm- als auch beim Kaltwalzen kann sich ein NSDL bilden. Bei 3xxx- und 5xxx-Aluminiumlegierungen besteht ein starker Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein eines NSDL und der Anfälligkeit für Fadenkorrosion.

Vor der Vorbehandlung sollte das Aluminiumsubstrat von Ölrückständen, Schmutz und Oberflächenoxiden gereinigt werden. Bei 5xxx-Legierungen besteht die Hauptanforderung an die Reinigung neben der Entfernung organischer Rückstände darin, sicherzustellen, dass Magnesium-reiche Oxide entfernt werden, die sich nachteilig auf die Haftung von Beschichtungen auswirken können.

Die in der Automobilindustrie am häufigsten verwendete Reinigungsmethode für Aluminiumbleche ist ein Mischsäureverfahren. Das Aluminium wird in einer Mischung aus Schwefel-, Phosphor- und Flusssäure bei einer Temperatur von 50 bis 70 °C gebadet. Dadurch wird das NSDL entfernt und das Metall korrosionsbeständiger.

Nach der Reinigung wird das Aluminium einer Vorbehandlung unterzogen, um die Oberflächenchemie zu modifizieren, die Haftung zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Es gibt drei Arten der Vorbehandlung:

In der Automobilindustrie sind Konversionsbeschichtungen auf Basis von Titanfluorid oder einer Mischung aus Titanfluorid und Zirkoniumfluorid die am weitesten verbreiteten Metallionenbehandlungen. Die Behandlungen können im Tauch-, Sprüh- oder No-Rinse-Verfahren angewendet werden. Der Vorteil dieser Beschichtungen ist ihre Schnelligkeit und Einfachheit. Sie können an Ort und Stelle trocknen und bei niedrigen Temperaturen aufgetragen werden.

Um eine noch bessere Haftung und eine homogene Beschichtung zu erreichen, können den Konversionsbädern organische Zusätze zugesetzt werden. Zu diesen Additiven gehören Polyacrylsäure, Phenolphosphat, Silane und Chelatbildner wie Aminotrimethylenphosphonsäure.

Unter den Haftvermittlern werden am häufigsten Silane verwendet. Die Aufgabe von Haftvermittlern besteht darin, den Vernetzungsgrad im Grenzflächenbereich zu verbessern und so die chemische Bindung zu erhöhen. Silane können sowohl mit dem Untergrund als auch mit dem Klebstoff chemische Bindungen eingehen. Der Vorteil von Silanen besteht darin, dass sie aufgrund ihrer kovalent vernetzten Struktur einfach und stabil sind. Sie verbessern auch die Benetzbarkeit der Oberfläche. Der einzige Nachteil von Silanen ist ihre relativ kurze Haltbarkeit.

Als Haftvermittler werden auch Beschichtungen auf Organophosphonsäurebasis eingesetzt. Organophosphonsäuren bilden auf Aluminiumlegierungen sehr stabile Monoschichten, die mit einem dünnen Oxidfilm bedeckt sind. Das Vorhandensein von Phosphonat-Monoschichten verbessert die Haftung mit Aluminiumoxid. Diese Säuren können durch Tauchbeschichten oder Sprühen aufgetragen werden.

Eine weitere Vorbehandlung ist das Eloxieren. Beim Eloxieren handelt es sich um einen elektrochemischen Prozess, der die Metalloberfläche in eine dauerhafte, korrosionsbeständige, anodische Oxidoberfläche umwandelt. Und die poröse Oberfläche bietet Haftung für Klebstoffe und Grundierungen. Das Anodisieren erfolgt durch Eintauchen des Aluminiums in ein saures Elektrolytbad und Durchleiten eines elektrischen Stroms durch das Medium.

Der Vorteil der Eloxierung besteht darin, dass eine reine Aluminiumoxidoberfläche entsteht. Es ist umweltfreundlicher als andere Vorbehandlungen und die Dicke und Morphologie des fertigen Oxids können leicht kontrolliert werden. Andererseits ist es auch teurer und in der Großserienproduktion schwieriger anzuwenden.

Mercedes setzt bei seiner CLS-Klasse-Limousine auf Eloxierung. Es wird auch bei den Sportwagen Lotus Elite und Opel Speedster verwendet.

Nach der Vorbehandlung wird üblicherweise ein Stanzschmiermittel auf das Metall aufgetragen, um die Formbarkeit zu verbessern und das Substrat vor dem Verkleben zu schützen. Die aufgetragene Ölmenge beträgt ca. 0,9 Gramm pro Quadratmeter. Handelt es sich bei dem Öl jedoch nicht um einen Trockenschmierstoff, kommt es aufgrund des Ablaufens zu einer inhomogenen Verteilung auf der Oberfläche.

Diese Schmierstoffe werden in den Stanzwerken nicht unbedingt entfernt, daher ist es wichtig, dass der Klebstoff damit kompatibel ist. Für eine starke Verbindung muss der Klebstoff in der Lage sein, jegliches Schmiermittel entweder zu verdrängen oder aufzusaugen. Beispielsweise können bestimmte Epoxidharze Öl verdrängen und absorbieren.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass Stempelschmierstoffe die Gelenkfestigkeit negativ beeinflussen können. Beispielsweise zeigte eine Studie, dass die Verbindungsfestigkeit mit zunehmender Schmiermittelmenge abnahm, wenn die Aluminiumlegierung 6111 mit hochfestem Stahl verbunden wurde. Eine andere Studie ergab, dass 2,21 Gramm hydrophobes Gleitmittel pro Quadratmeter ausreichten, um die Haftfestigkeit negativ zu beeinflussen.

Einer der Hauptnachteile von Klebeverbindungen ist ihre lange Haltbarkeit unter Umwelteinflüssen.

Wasser kann durch Massendiffusion durch den Klebstoff, Grenzflächendiffusion entlang der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Substrat und durch Kapillarwirkung durch Risse oder Defekte im Klebstoff oder in der Konversionsschicht in eine Klebeverbindung eindringen. Es kann sich negativ auf das System auswirken, indem es entweder die Adhäsionseigenschaften verändert oder den Klebstoff an der Grenzfläche verdrängt.

Sobald Wasser in die Fuge gelangt, kann es auf verschiedene Arten den Klebstoff beeinträchtigen. Diese beinhalten:

In einigen Fällen ist dieser Schaden reversibel, wenn die Verbindung austrocknet. In anderen Fällen ist der Schaden irreversibel.

Deshalb ist die Vorbehandlung so wichtig. Durch die Schaffung primärer Bindungen zwischen Klebstoff und Untergrund wird die Festigkeit der Verbindung erheblich verbessert.

Feuchtigkeit kann Klebeverbindungen ebenso schaden wie Wasser. In einer Studie wurden beispielsweise Aluminiumverbindungen, die mit verschiedenen Strukturklebstoffen verklebt wurden, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent bei einer Temperatur von 50 °C ausgesetzt. Die Forscher stellten fest, dass die Verbindungsfestigkeit deutlich abnahm, sich jedoch teilweise erholte, wenn die Luftfeuchtigkeit verringert wurde.

Der Korrosionsschutz hängt von der Haftung der Lackschicht auf dem Untergrund ab. Wenn die Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Untergrund stark ist, kann Wasser nicht bis zur Grenzfläche eindringen und es kommt nicht schnell zu einer Korrosion. Wenn die Bindung jedoch schwach ist, kann sich die Korrosion leicht an der Grenzfläche ausbreiten.

In einer Studie wurde die Wirkung von Salzsprühnebel über einen längeren Zeitraum auf die Festigkeit von überlappungssicheren Aluminiumverbindungen untersucht, die mit Saumflansch-Dichtungsmittel verklebt wurden. Ein Gelenksatz wurde mit einer Zirkonium-Titan-Beschichtung behandelt; ein anderer bestand aus blankem Aluminium. Die Studie ergab, dass die Zirkonium-Titan-Beschichtung zunächst einen besseren Korrosionsschutz bot als blankes Aluminium. Auf lange Sicht – mehr als 1.400 Stunden – bot die Beschichtung jedoch einen schlechteren Schutz als das bloße Metall.

Filiforme Korrosion ist eine Form der atmosphärischen Korrosion, die unter organischen Beschichtungen in Form schmaler, miteinander verbundener fadenförmiger Filamente auftritt. Es wurde zum ersten Mal in den späten 1960er Jahren beobachtet, wo es an Nietköpfen und den Kanten der Aluminiumhäute von Flugzeugen auftrat, die aggressiven tropischen Umgebungen ausgesetzt waren.

Bei Polymerschichten auf nichtleitenden Oxidoberflächen, wie z. B. bei Aluminiumlegierungen, ist die Filiformkorrosion auf anodische Delaminierung zurückzuführen. Der Haftungsverlust entsteht durch die anodische Auflösung des Untergrundes. Die wichtigsten Umweltfaktoren, die für die Entstehung und Ausbreitung dieser Form der Korrosion entscheidend sind, sind relative Luftfeuchtigkeit über 80 Prozent, das Vorhandensein aggressiver Ionen wie Chlor und Defekte in den Schutzschichten.

Der Hauptvorteil des Klebens liegt in der großflächigen Spannungsverteilung. Das bedeutet jedoch nicht, dass Ingenieure das Stressproblem ignorieren können. Die Anwendung einer Belastung führt dazu, dass eine Klebeverbindung schneller abgebaut wird als eine unbelastete Verbindung, insbesondere wenn die Verbindungen über einen längeren Zeitraum hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Klebeverbindungen können sowohl statischen als auch dynamischen Belastungen ausgesetzt sein. Diese Belastungen sind nicht nur auf äußere Belastungen zurückzuführen. Sie können durch Schrumpfung des Klebstoffs nach dem Aushärten, Quellung des Klebstoffs aufgrund von Wasseradsorption oder durch eine thermische Fehlanpassung zwischen Klebstoff und Untergrund verursacht werden. Darüber hinaus kann Stress auch andere Prozesse beschleunigen, beispielsweise die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsdiffusion in der Fuge.

Um die Leistung des Verbindungsdesigns und der Klebstoffauswahl zu überprüfen, wird eine Belastungsbeständigkeitsprüfung empfohlen. Beispielsweise untersuchte eine Studie die Auswirkung der Umwelteinwirkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Weichstahlverbindungen, die mit verschiedenen Klebstoffen verbunden wurden. Überlappungsschubverbindungen wurden acht Jahre lang unterschiedlichen Belastungs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Die Forscher stellten fest, dass der verwendete Klebstoff einen großen Einfluss hatte. Einige Formulierungen zeigten eine ausgezeichnete Haltbarkeit, während andere durch die Umwelt beeinträchtigt wurden. Die Klebstoffe, die eine bessere Leistung zeigten, waren diejenigen, die mit Polyamidhärtern ausgehärtet wurden und solche mit hoher Anfangsfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul.

Anmerkung des Herausgebers: Die folgenden Personen haben ebenfalls zu diesem Artikel beigetragen: Matthieu Boehm, Forschungswissenschaftler, Constellium Technology Center, Voreppe, Frankreich; Herman Terryn, Ph.D., Professor für Oberflächenwissenschaften und -technik, Freie Universität Brüssel; und Tom Hauffman, Ph.D., außerordentlicher Professor für Chemie, Freie Universität Brüssel.

Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung einer viel längeren Forschungsarbeit. Um den vollständigen Artikel zu lesen, klicken Sie hier: https://bit.ly/36hNpRv.