Aluminium und Stahl fest verschweißt

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 ist die elektro­magnetische Puls-Tech­nologie – EMPT. Dabei werden die zu fügenden Bleche durch ein gepulstes elektro­magnetisches Feld auf hohe Geschwindig­keiten aufeinander zu beschleunigt und stoff­schlüssig miteinander verbunden.

In Schliff­bildern aus metallo­graphischen Unter­suchungen des Fraunhofer-Instituts für Betriebs­festigkeit und Systemzuver­lässigkeit LBF 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 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 Jörg Baumgartner, der für das Forschungs­projekt am Fraunhofer LBF verant­wortlich ist.

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.

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 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.

Fh.-LBF / JOL