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.