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Experimentelle und simulative Analysen von induktionsgeschweißten Hybridbverbindungen

  • Das Fügen von Faserverbunden und Metallen durch Induktionsschweißen ist ein neuartiges Verfahren, das im Rahmen einer DFG-Forschergruppe entwickelt wurde. In dieser Arbeit werden auf solche Weise hergestellte Fügungen zwischen einer Aluminiumlegierung (AlMg3) und CFK (kohlenstofffaserverstärktes Polyamid) experimentell und simulativ untersucht. Detaillierte Kenntnisse über das mechanische Verhalten und den Einfluss der Prüfgeschwindigkeit und der Temperatur darauf sind für einen späteren Einsatz der Fügetechnik bei der Verbindung von Bauteilen wichtig. Die begleitend durchgeführten Simulationen auf Basis der Finiten Elemente (FE) ermöglichen einen Blick in das Innere der Fügezone und stellen nach der Validierung mit Hilfe der Experimente eine Erweiterung der Messtechnik dar. Besondere Anforderungen an die Messtechnik entstehen bei diesen Untersuchungen aus den geringen Abmessungen des Fügebereiches. Ergänzend durchgeführte makroskopische und mikroskopische (Rasterelektronenmikroskop) Bruchflächenanalysen untermauern die Schlüsse und Erläuterungen aus den experimentellen und simulativen Untersuchungen. Abgeleitet von kritischen Lastfällen wird das mechanische Verhalten an Grundlagenexperimenten in Quer-Druck- und Schubversuchen untersucht und simuliert. Für die globale und lokale Verschiebungsanalyse, die eine detaillierte Versuchsauswertung und einen Abgleich mit den Simulationen ermöglicht, wird das Grauwertkorrelationsverfahren eingesetzt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind: Bei den Quer-Druck-Versuchen kommt es zu einer normalspannungsdominierten Schälbelastung in der Fügezone mit einem konstant wachsenden Riss. Die Temperaturvariationen im Bereich von -30 °C und 80 °C haben fast keinen Einfluss auf das mechanische Verhalten. Die Prüfgeschwindigkeitsvariationen im Bereich von 0,03 mm/s bis 1500 mm/s zeigen bei steigenden Prüfgeschwindigkeiten einen deutlichen Anstieg der maximalen Kräfte und Verschiebungen. In den Versuchen ist ein adhäsiver Versagensmode zu beobachten. Eine Ausnahme bilden die Versuche bei höheren Prüfgeschwindigkeiten, bei denen ein grenzschichtnahes Versagen in der Fügezone auftritt. In den Schubversuchen kommt es zu einem stärker mehrachsialen Spannungszustand in der Fügezone, der von Schub- und Normalzugspannungen dominiert wird. Die erreichten Kräfte liegen deutlich über denen der Quer-Druck-Versuche. Dieses Kraftniveau ist kaum beeinflusst von den Temperaturvariationen zwischen -30 °C und 80 °C. Die Prüfgeschwindigkeitssteigerungen bis zu 1500 mm/s haben einen signifikanten Einfluss auf die Kräfte und besonders auf die maximalen Verformungen. Die Bruchflächen sind in den meisten Versuchen adhäsiv dominiert. Bei Temperaturen von -30°C und Prüfgeschwindigkeiten von 500 mm/s und 1500 mm/s bilden sich hingegen Bereiche mit grenzschichtnahem Versagen und köhasiven Anteilen. Die REM-Untersuchungen der Bruchbilder zeigen, dass mechanisches Interlocking einen maßgeblichen Beitrag zur Haftung zwischen Polyamid und Aluminium leistet. Die Simulationen wurden mit Hilfe der globalen und lokalen Verschiebungszustände in den Grundlagen- und zusätzlich durchgeführten Versuchen validiert und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die Spannungszustände im Inneren der Fügezone sind wegen der unterschiedlichen Fügewerkstoffe und Steifigkeiten unsymmetrisch und stark inhomogen. Es bilden sich in allen simulierten Versuchen am Rand Spannungsspitzen, die zum Versagen führen, während in der Fügezonenmitte ein niedriges Spannungsniveau vorherrscht. Mit wachsendem Riss steigen die Spannungen im Inneren der Restfügezone in geringem Maße, bis es zur vollständigen Trennung des AlMg3- und des CFK-Fügeteils kommt. Eine Parameterstudie mit dem validierten Simulationsmodell der Schweißung zeigt, wie eine erhöhte Dicke des AlMg3-Fügeteils oder ein Anstieg der CFK-Steifigkeit zu einer günstigeren Spannungsverteilung in der Fügezone und so zu höheren Versagenskräften führt. Die in dieser Arbeit erzielten experimentellen und simulativen Ergebnisse tragen zum Verständnis der Vorgänge bei mechanisch belasteten induktionsgeschweißten Fügungen zwischen Faserverbunden und Metallen bei. Der eingeschlagene Weg und die zum Einsatz gebrachten Methoden sind auch auf andere Verbindungen übertragbar. Das aufgebaute und validierte Simulationsmodell kann dabei für weiterführende Parametervariationen oder zur mikromechanischen Analyse der Schweißungen eingesetzt werden.

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Metadaten
Verfasserangaben:Sebastian Schmeer
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47558
ISBN:978-3-934930-85-8
Schriftenreihe (Bandnummer):IVW-Schriftenreihe (89)
Verlag:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Verlagsort:Kaiserslautern
Betreuer:Martin Maier
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):16.08.2017
Datum der Erstveröffentlichung:08.09.2009
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:08.09.2009
Datum der Publikation (Server):16.08.2017
Seitenzahl:XI, 127
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)