Bestimmung der Verbindungseigenschaften beim punktförmigen Schweißen von Aluminiumlegierungen mit Stahl

Stahl wird in Leichtbaustrukturen durch Aluminiumlegierungen ergänzt. Die Fügetechnik nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Die Werkstoffe weisen unterschiedliche thermophysikalische Eigenschaften auf, was die schweißtechnische Verarbeitung erschwert. Die Bildung intermetallischer Phasen während des Schweißens führt bei unkontrolliertem Wärmeeintrag und unzureichender Anbindung zu sprödem Verbindungsversagen bei geringen Lasten. Das Verfahren des Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißens ermöglicht den Einsatz des Widerstandspunktschweißens als Hauptfügeprozess. Dazu wird auf das Aluminiumblech an der Fügestelle mittels Ultraschallschweißen ein Fügehilfselement aufgeschweißt, welches die Verbindung zum Stahl durch eine Schweißlinse erreicht. Während der Widerstandserwärmung wachsen intermetallische Phasen in der Ultraschallschweißung über das prozessual einstellbare Temperatur-Zeitregime während des Widerstandsschweißprozesses an. Es gelang mit Hilfe einer eigens entwickelten Zugprobe die Fügezonenfestigkeit nach der Durchführung der Schweißprozesse zu bestimmen. So konnte nachgewiesen werden, dass ein Verbindungsversagen im Zusammenhang mit der intermetallischen Phase nur dann eintritt, wenn die Fügezonenfestigkeit kleiner ist als die Festigkeit des Aluminiumwerkstoffs. Als Grenze wurde eine Gesamtphasendicke von 8 µm herausgearbeitet. Es gelang, ein Prognoseverfahren für das Abgrenzen von Ausknöpfbrüchen zu Scherbrüchen bei Scherzugbelastung auf Stahl/Aluminium-Verbindungen unter Berücksichtigung intermetallischer Phasen anzuwenden. Zur Für die Scher- und Kopfzugverbindungen wurde ein Berechnungskonzept entwickelt, was die intermetallischen Phasen als Bemessungsgröße berücksichtigt. Die Erkenntnisse konnten auf bauteilähnliche Werkstücke angewendet und auf weitere Verbindungen übertragen werden.

Steel is supplemented by aluminum alloys in lightweight structures. Joining technology plays a key role here. The materials have different thermophysical properties, which makes welding very difficult. The formation of intermetallic phases during welding leads to brittle joint failure at low loads in the case of uncontrolled heat input and inadequate bonding. The ultrasonic element resistance spot welding process allows resistance spot welding to be used as the main joining process. For this purpose, an auxiliary joining element is welded onto the aluminum sheet at the joint by ultrasonic welding, which achieves the connection to the steel through a welding nugget. During resistance heating, intermetallic phases grow in the ultrasonic weld over the process-adjustable temperature-time regime during the resistance welding process. Using a specially developed tensile test specimen, it was possible to determine the joint zone strength after the welding processes had been carried out. It was thus possible to demonstrate that joint failure in combination with the intermetallic phase only occurs when the joining zone strength is lower than the strength of the aluminum material. A total phase thickness of 8 µm was worked out as the limit. It was possible to apply a prediction method for the delimitation of button-out fractures to shear fractures under shear tensile loading to steel/aluminum joints, taking intermetallic phases into account. A calculation concept was developed for the shear and cross tension connections, which takes the intermetallic phases into account as a dimensioning variable. The results could be applied to component-like workpieces and transferred to other joints.