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Kontinuierliches Ultraschallschweißen ebener und rohrförmiger Titan/CFK-Verbindungen – Sonotroden, Prozessentwicklung und Verbundeigenschaften

  • Das Ultraschallschweißen ist eine innovative und vielversprechende Fügetechnologie für hybride Werkstoffsysteme. Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmalig das kontinuierliche Metall- Ultraschallschweißen zur Verbindung von Leichtmetalllegierungen mit faserverstärkten Kunststoffen für den Einsatz im Hydrauliksystem eines Flugzeuges betrachtet. Dafür wurden Ultraschallschweißanlagen und Prozessparameter für translatorisches Schweißen ebener und für das neuartige orbitale Schweißen rohrförmiger Fügepartner entwickelt. Das Ultraschallschweißen von Titan erfordert besonders robuste Sonotroden. Die Härte, die Festigkeit und die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit bedeuten eine hohe mechanische und thermische Beanspruchung der Sonotrode während des Schweißprozesses. Gleichzeitig muss die Sonotrode mit hoher Amplitude von bis zu 50 μm schwingen, um eine feste Verbindung erzeugen zu können. Der Werkstoff, die Geometrie und die Sonotrodenkoppelfläche müssen speziell für das Ultraschallschweißen von Titan ausgelegt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißanlagen, Prozessparameter und Sonotroden erfolgreich für den orbitalen Ultraschallschweißprozess entwickelt, sodass eine Ti6Al4V-Fitting/CF-PEEK-Rohr-Verbindung hergestellt werden konnte, die einem Innendruck von 960 bar standhielt, der einer Axialkraft von 81,7 kN und einer relativen Zugscherkraft in Bezug zur Schweißnahtlänge von 390 N/mm entspricht.
  • Ultrasonic welding is an important and innovative joining technology for tubular metal–carbon fibre reinforced polymer joints and has important potential applications in aircraft hydraulic systems. In this work, systems and process parameters for the translational and orbital ultrasonic welding of lightweight alloys to carbon fibre reinforced polymers were developed. Titanium is a desirable ‘upper joining partner’ material for ultrasonic welding but its high yield strength, hardness and low thermal conductivity can wreak havoc on sonotrode durability. Welding sonotrodes have to resist high mechanical and thermal loads while oscillating at amplitudes up to 50 μm in order to create high strength hybrid joints. In this research suitable sonotrodes were developed for the continuous ultrasonic welding of titanium alloys. Sonotrode material, geometry and structure of the tip were considered. In due course, ultrasonic welding systems, process parameters and sonotrodes were successfully developed and a Ti6Al4V-fitting/CFRP-tube joint was manufactured by orbital ultrasonic welding. The hybrid tube’s joints remained intact at an internal pressure of 960 bar, equivalent to an axial force of 81,7 kN and a relative tensile shear force of 390 N/mm in relation to the length of the weld seam.
Metadaten
Author:Moritz LiesegangORCiD
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-62901
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6290
ISBN:3-932066-49-9
Serie (Series number):Werkstoffkundliche Berichte (50)
Advisor:Tilmann Beck, Frank Balle
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2021/03/09
Year of Publication:2020
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2020/12/04
Date of the Publication (Server):2021/03/09
Tag:Hybride Werkstoffsysteme; Sonotroden; Ultraschallschweißen
hybrid materials engineering; sonotrodes; ultrasonic welding
Number of page:172
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)