Kleben als Leichtbau-Fügetechnik

Strukturelle und chemische Untersuchungen an geklebten Grenzflächen im TEM (Transmissions-elektronenmikroskop)

Oberflächeneigenschaften spielen für eine innovative Fügetechnologie eine zentrale Rolle, denn an der Oberfläche entscheidet es sich, ob und wie die Fügeteilpartner in innigen Kontakt kommen und die notwendige Haftkraft oder sogar eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.

Vor dem Fügeprozess kann die Oberflächenanalytik an den Fügeteiloberflächen für die Charakterisierung und zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Zur Untersuchung des schließlich entstandenen Verbundes mit der Aufklärung der Mechanismen der Fügeprozesse oder zur Fehleranalytik ist dagegen eine Analytik mit höchster Ortsauflösung gefragt.

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine Analysemethode, die in höchster Ortsauflösung Abbildung, Strukturanalyse und chemische Analyse ermöglicht:

Für die Untersuchung im TEM werden wenige Mikrometer große Lamellen aus dem Probenverbund herauspräpariert, im TEM dann in Durchstrahlung mit Elektronen untersucht. Zur Analyse der Probenchemie kommt die energiedispersive Röntgenanalytik (EDX) und die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) zum Einsatz.

Damit kann die Zusammensetzung der Probe im Nanometermaßstab ortsaufgelöst bestimmt werden. Die analytische TEM ist daher prädestiniert für die Analyse von Fügezonen bis in die Details der beim Fügen entstandenen Strukturen im direkten Bereich des Interface.

Beispiel Klebverbindungen

Aluminiumknetlegierungen werden im Rahmen von Leichtbaukonzepten aufgrund ihres günstigen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, aber auch wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und guter Umformbarkeit eingesetzt.

Als Fügeverfahren wird in diesem Zusammenhang immer häufiger die Klebetechnik angewendet, in der Luftfahrt- und Automobilindustrie hat sie sich bereits als ein Standard etabliert. Aber auch geklebte Aluminiumverbindungen unterliegen Alterungsvorgängen, die vornehmlich durch Umwelteinflüsse initiiert werden.

Dies zeigt sich in einer irreversiblen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, die von der Art und der Intensität der äußeren Belastung, von der Güte des Klebstoffs und des Herstel-lungsprozesses der Klebverbindung sowie insbesondere von der Oberflächenvorbehandlung abhängt. In unserem Beispiel wurde auf dem Aluminium durch saures Beizen eine Oxidschicht aufgebracht, die eine offene Struktur besitzt. Dem Klebstoff ist es somit möglich, in die Oxidstruktur einzudringen und mit ihr eine intensive formschlüssige Verbindung einzugehen. Mit einer derartigen Mikrostruktur kann eine hohe Haftkraft und ein gutes Alterungsverhalten erzeugt werden.

Abbildungen im Detail

Alterungsverhalten der Klebung bei unterschiedlichen Vorbehandlungen der Oberfläche
TEM-Aufnahme (links)und EELS-Analyse (rechts) eines Querschnittes durch eine Oberfläche nach Kleben, mit offenporiger Oxidschicht und damit verzahntem Klebstoff