Tadellos gefügt

Mit der elektromagnetischen Puls-Technik (EMPT) steht ein neues Fügeverfahren bereit, um Stahl- und Aluminiumlegierungen zu verbinden. Das Fraunhofer LBF zeigte in Tests, dass die Schwingfestigkeit dieser Verbindungen hohen Ansprüchen genügt.

22. November 2018
Stahl-Aluminium-Verbindung nach zyklischer Schälbeanspruchung: Versagen im Aluminium (Bild: Fraunhofer LBF)
Bild 1: Tadellos gefügt (Stahl-Aluminium-Verbindung nach zyklischer Schälbeanspruchung: Versagen im Aluminium (Bild: Fraunhofer LBF))

Mischschweißverbindungen sind für Leichtbaukonstruktionen sehr wichtig, da durch sie Komponenten realisiert werden können, die hohe Festigkeiten und niedriges Gewicht vereinen. Ein Verfahren zur Erzeugung solcher Verbindungen ist die elektromagnetische Puls-Technik (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-Institut 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.

Hohe Festigkeit der Verbindungen

»Bei den Aluminium-Stahl-Verbindungen lassen sich auf den Schliffbildern keine intermetallischen Phasen im Verbindungsbereich nachweisen, wie sie bei anderen stoffschlüssigen Mischverbindungen auftreten. Das dürfte der Grund für die hohe Festigkeit der Verbindungen sein«, erklärt Dr. Jörg Baumgartner, der für das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF verantwortlich ist.

Zur Qualifizierung der Verbindungen hinsichtlich der Schwingfestigkeit führten die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF Versuche an Scherzug- und Schälzugproben durch. Hierbei stand die Frage im Mittelpunkt, ob EMPT-gefügte Verbindungen mit den von klassischen Schweißverbindungen bekannten Konzepten bewertet werden können.

Es zeigte sich, dass die 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 durch den Grundwerkstoff. »Dieses Verhalten konnten wir auch bei den Aluminium-Stahl-Proben unter Schälbeanspruchung sehen. Unter Scherbeanspruchung wies die Fügezone der Proben eine so hohe Festigkeit auf, dass der Riss außerhalb der Fügezone auftrat«, so Baumgartner.

Vergleichbar mit MIG-Schweißverbindungen

In Finite-Element-Modellen modellierten die Forscher rissartige Kerben mit einem standardisierten Referenzradius von 0,05 Millimeter. 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. Für den Konstrukteur steht jetzt eine Methode zur Verfügung, mit der er derartige Verbindungen bereits in der Produktentwicklungsphase zuverlässig auslegen kann.