Gestaltung und Festigkeit der Klebverbindungen

Für die Haltbarkeit einer Klebverbindung ist deren Gestaltung von besonderer Bedeutung. Es ist auf die Krafteinleitung in den Fügebereich und der sich daraus ergebenden Beanspruchung der Klebschicht zu achten. Zugbeanspruchungen sollten vermieden werden, da die Eigenfestigkeit der Klebstoffe gegenüber der der Fügeteile wesentlich geringer ist und damit die Festigkeit der Fügeteile nicht ausgenutzt werden kann. Damit die Klebschicht bei der Kraftüberleitung von einem Fügeteil auf das andere auf Abscheren beansprucht wird, ist die Klebschicht in Kraftrichtung zu legen. Gegen Schälbeanspruchung ist die Klebschicht besonders empfindlich. Derartige Beanspruchungen sind zu vermeiden.

Werden Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander verklebt, so können bei Temperaturänderungen hohe Spannungen in der Klebstelle entstehen. Ist das Werkstück mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten das Innenteil einer Welle–Nabe–Verbindung , so kann der Klebstoff die Kräfte aufnehmen. Andernfalls muss eine Presspassung gewählt werden.

Ein Kombinieren von Kleben und Nieten oder Punktschweißen kann sehr vorteilhaft sein. Mit derartigen Kombinationen wird die Tragfähigkeit einer Verbindung außerordentlich gesteigert. Außerdem erreicht man eine bessere Dichtigkeit und eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit.

Im Leichtmetallbau werden besonders Kleben und Nieten kombiniert. Dadurch entstehen großflächige Verbindungen mit gleichmäßiger Kraftüberleitung. Die Klebschicht isoliert und verhindert elektrolytische Reaktionen bei Verbindungen unterschiedlicher Metalle. Die Niete werden während oder nach dem Abbinden des Klebstoffs geschlagen. Beim Kombinieren mit dem Punktschweißen kann nach dem Punktschweißen ein niedrigviskoser Klebstoff eingegossen und anschließend ausgehärtet werden. Dieses Verfahren dient vorwiegend als Korrosionsschutz. Es kann aber auch vor dem Punktschweißen ein pastöser Klebstoff aufgetragen werden. Durch den Elektrodendruck wird der Klebstoff an der Schweißstelle verdrängt. Nach dem Schweißen wird der Klebstoff kalt oder warm ausgehärtet. Außer dem erreichten Korrosionsschutz kann die Tragfähigkeit gegenüber den Punktschweißverbindungen auf das Drei- bis Vierfache gesteigert werden. Die Festigkeit einer Klebverbindung hängt von vielen Einflüssen ab, so dass es nicht möglich ist, allgemeingültige Festigkeitswerte anzugeben. Die Scherspannungen verteilen sich nicht gleichmäßig über die Klebfläche. In Kraftrichtung sind sie an den beiden Enden infolge der Dehnungen der Fügeteile größer als in der Mitte. Eine Vergrößerung der Fügeteildicke bewirkt in einer Überlappverbindung eine Abnahme der Spannungen an den Enden, weil sich die Bauteile dann durch die Belastungskraft weniger stark dehnen. Es stellt sich ein gleichmäßigerer Spannungszustand ein, der die Tragfähigkeit erhöht. Dafür sinkt die Ausnutzung der Festigkeit der Fügeteile. Auch mit einer Vergrößerung der Klebschichtdicke verteilen sich die Spannungen gleichmäßiger, weil sich die Klebschicht dann den Bauteildehnungen besser anpassen kann. Beim Aushärten entstehen aber infolge eines Volumenschwunds einiger Klebstoffe Eigenspannungen, die mit der Klebschichtdicke wachsen, sodass der Festigkeitsgewinn teilweise wieder abgebaut wird. Andererseits soll die Klebschicht möglichst dünn sein, theoretisch gleich der Moleküldicke, weil die Adhäsionskräfte meistens größer als die Kohäsionskräfte sind. Für Klebstoffe auf Epoxidbasis hat sich eine Klebschichtdicke von etwa 0,1...0,2 mm als optimal herausgestellt. Die Tragfähigkeit nimmt aber proportional mit einer Vergrößerung der Klebschichtbreite zu.

Gering elastische Klebstoffe haben trotz hoher Kohäsionsfestigkeit meistens eine kleinere Zugscherfestigkeit als elastische Klebstoffe mit geringerer Kohäsionsfestigkeit. Das hängt damit zusammen, dass bei den wenig elastischen Klebstoffen die Spannungen am Fugenende wesentlich höher sind als bei elastischen. Die elastischen können sich den Dehnungen der Fügeteile durch die Belastungskraft besser anpassen. Umgekehrt gilt das für die Fügeteilwerkstoffe, d. h. je größer deren Elastizitätsmodul ist, umso gleichmäßiger verteilen sich die Scherspannungen über die Klebfläche, weil sie den Klebstoff weniger dehnen. Die Festigkeit einer Klebverbindung nimmt nach einem Maximum mit zunehmender Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur ab. Die Warmhärter verhalten sich günstiger als die Kalthärter. Spezielle Klebstofftypen besitzen sogar bis 350°C eine relativ hohe Zugscherfestigkeit.
Durch Umwelteinflüsse kann sich die Festigkeit einer Klebverbindung ändern, z. B. durch eindiffundierende Feuchtigkeit, die das Bindemittel plastifiziert und Kohäsion und Adhäsion senkt. Infolge Alterung sinkt die Festigkeit mit der Zeit bis auf etwa 70...80% der Anfangsfestigkeit ab. Die Warmhärter sind beständiger als die Kalthärter. Gegenüber organischen Lösungsmitteln, wie chlorierten Kohlenwasserstoffen, sind viele Klebstoffe nicht beständig. Die meisten Klebstoffe kleben nicht nur Metalle, sondern auch Keramik, Marmor, Holz, Reibbeläge, Kunststoffe und dgl. Die angegebenen Zugscherfestigkeiten beziehen sich auf Überlappklebungen. Bei schwellender Beanspruchung sinken die Scherfestigkeiten auf etwa 60%, bei wechselnder Beanspruchung auf etwa 40% ab. Prüfungen von Metallklebstoffen und Metallklebungen sind nach den Normen DIN 53281, 53282, 53284, 53286 und 53287 sowie DIN 54452 und 54455 vorzunehmen.