Stahl mit Aluminium schwingfest verbinden

Elektromagnetisches Pulsfügen Stahl mit Aluminium schwingfest verbinden

11.12.2018Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Mit der elektromagnetischen Puls-Technologie steht ein neuartiges Fügeverfahren bereit, um Stahl- und Aluminiumlegierungen zu verbinden. Das Fraunhofer LBF untersuchte nun die Schwingfestigkeit der Schweißnaht.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

In den Schwingfestigkeitsversuchen zeigte sich, dass die eigentliche Fügezone der schwingenden Beanspruchung standhielt. Das Versagen der Aluminium-Stahl-Probe erfolgt im Grundwerkstoff.
(Bild: Fraunhofer LBF)

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 aufeinander zu beschleunigt und stoffschlüssig miteinander verbunden. Anderen Verfahren, beispielsweise dem Kleben, ist diese Methode insbesondere beim nötigen Zeitaufwand weit überlegen.

In einem Vorhaben der industriellen Gemeinschaftsforschung konnte das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) zeigen, dass auch die Schwingfestigkeit dieser Verbindungen hohen Ansprüchen genügt. Schliffbilder aus metallographischen Untersuchungen zeigen 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 lassen sich auf den Schliffbildern keine signifikanten intermetallischen Phasen im Verbindungsbereich nachweisen, wie sie bei anderen stoffschlüssigen Mischverbindungen typischerweise auftreten. Dies dürfte der Grund für die hohe Festigkeit der Verbindungen sein“, erklärt Dr. Jörg Baumgartner, der für das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF verantwortlich ist.

Schwingfestigkeit bewerten

Zur Qualifizierung der Verbindungen hinsichtlich der Schwingfestigkeit führten die Wissenschaftler Versuche an Scherzug- und Schälzugproben durch. Hierbei stand die Fragestellung im Mittelpunkt, ob es möglich ist, 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 konnten wir auch bei den Aluminium-Stahl-Proben unter Schäl-Beanspruchung beobachten. Unter Scher-Beanspruchung wies die Fügezone dieser Proben eine derart hohe Festigkeit auf, dass das Versagen im Aluminiumgrundwerkstoff außerhalb der Fügezone auftrat«, so Baumgartner.

Methode zur Auslegung analog Aluminiumverbindungen

Um eine Schwingfestigkeitsbewertung vorzunehmen, baute das Forscher-Team Finite-Element-Modelle der Proben auf. Darin wurden die rissartigen Kerben mit einem standardisierten Referenzradius von 0,05 Millimeter modelliert. Eine Bewertung erfolgte mit dem Kerbspannungskonzept, das in vielen Bereichen das Standardverfahren zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen ist.

Hierbei zeigte sich, dass die lokal ertragbaren Beanspruchungen bei allen Proben mit Versagen durch den Aluminiumwerkstoff vergleichbar zu konventionell (Laser oder MIG) geschweißten Aluminiumverbindungen sind. Über die Untersuchungen konnte somit die hohe zyklische Festigkeit der Verbindung nachgewiesen werden. Zudem steht nun für den Konstrukteur eine Methode zur Verfügung, mit der er derartige Verbindungen bereits in der Produktentwicklungsphase zuverlässig auslegen kann. (qui)

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