Jahresbericht 2017

Schwingfestigkeit von EMPT-geschweißten Aluminium-Stahl-Verbindungen.

LEBENSDAUERABSCHÄTZUNG, FÜGEVERBINDUNGEN, MULTI-MATERIAL

Die anhaltende Suche der Automobilindustrie nach kostengünstigen Leichtbaulösungen führt häufig zu der Notwendigkeit, Stahl- und Aluminiumlegierungen zu verbinden. Mit der elektromagnetischen Puls-Technologie (EMPT) steht ein Fügeverfahren zur Verfügung, das insbesondere in Bezug auf die Fügezeiten anderen Verfahren, wie dem Kleben, weit voraus ist. In dem durchgeführten Vorhaben konnte gezeigt werden, dass auch die Schwingfestigkeit dieser Verbindungen hohen Ansprüchen genügt. Zudem wurde ein Bewertungskonzept entwickelt, das eine zuverlässige Auslegung zyklisch beanspruchter EMPT-Verbindungen ermöglicht.

Mischschweißverbindungen sind im Leichtbau für künftige innovative Konstruktionen von großer Bedeutung, da durch sie Komponenten realisiert werden können, die hohe Festigkeiten und niedriges Gewicht gezielt vereinen. Ein innovatives Verfahren zur Erzeugung solcher Verbindungen stellt die elektromagnetische Puls-Technologie (EMPT) dar. Dabei werden die zu fügenden Bleche durch ein gepulstes elektromagnetisches Feld auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und stoffschlüssig miteinander verbunden.

In Schliffbildern aus metallographischen Untersuchungen zeigt sich bei den artgleichen Aluminiumlegierungen eine gute Verbindung der gefügten Bleche. Bedingt durch die hohen Relativverschiebungen der Bleche während des Fügeprozesses bildet sich eine wellenartige Verbindungsstruktur in der Fügezone. Bei den Aluminium-Stahl-Verbindungen lässt sich auf den Schliffbildern im Verbindungsbereich hingegen keine klar definierte Fügezone erkennen. Trotzdem weisen diese Verbindungen eine hohe Festigkeit auf.

Zur Qualifizierung der Verbindungen hinsichtlich der Schwingfestigkeit wurden Versuche an Scherzug- und Schälzugproben durchgeführt. Hierbei stand im Mittelpunkt der Untersuchungen die Fragestellung: „Ist es möglich, EMPT,gefügte Verbindungen mit den bereits von klassischen Schweißverbindungen bekannten Konzepten zu bewerten und auszulegen?“

In den Schwingfestigkeitsversuchen zeigte sich, dass die eigentliche Fügezone der schwingenden Beanspruchung standhielt. Bei allen Proben initiierten die Risse bei zyklischer Beanspruchung immer an den scharfen Wurzelkerben der Überlappverbindungen. Bei den artgleichen Aluminiumverbindungen erfolgte der Rissfortschritt immer durch den Grundwerkstoff. Dieses Verhalten konnte auch bei den Aluminium-Stahl-Proben unter Schäl-Beanspruchung beobachtet werden. 

Bei den Aluminium-Stahl-Proben unter Scher-Beanspruchung wies die Fügezone eine derart hohe Festigkeit auf, dass das Versagen im Aluminiumgrundwerkstoff initiierte. Nach einer Modifikation der Probenform konnte in den Versuchsreihen ein Risswachstum sowohl entlang der Fügezone als auch durch den Stahlwerkstoff beobachtet werden. Aber wie sind die Beanspruchbarkeiten einzuschätzen?

Um eine Schwingfestigkeitsbewertung vorzunehmen, wurden Finite-Element-Modelle der Proben aufgebaut. In den Modellen wurden die rissartigen Kerben mit einem standardisierten Referenzradius von r = 0,05 mm modelliert. Eine Bewertung erfolgte mit dem Kerbspannungskonzept, das in vielen Bereichen das Standard-Verfahren zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen darstellt. Hierbei zeigte sich, dass die lokal ertragbaren Beanspruchungen bei allen Proben mit Versagen durch den Aluminiumwerkstoff vergleichbar zu konventionell (Laser, MIG) geschweißten Aluminiumverbindungen sind. Bei den Aluminium-Stahlproben mit Rissfortschritt durch die Fügezone bzw. den Stahl ergaben sich Beanspruchbarkeiten wie bei konventionell geschweißten Stahl-Stahl-Verbindungen.