Reibungsbasierte Rissinitiierung bei umformtechnisch gefügten Verbindungen von Bauteilen aus Aluminiumknetlegierungen

Der Aspekt des Klima- und Umweltschutzes rückt im Mobilitätssektor immer weiter in den Fokus der Entwicklungen. Mit dem Einsatz hochfester Aluminiumlegierungen in der Primärstruktur kann die Ressourceneffizienz gesteigert werden, ohne die Bauteileigenschaften im Bereich Sicherheit und Performance negativ zu beeinflussen. Ein effizientes Verfahren zur Verbindung dieser Bauteile ist das umformtechnische Fügen durch Clinchen. Im Betrieb sind die Fügeverbindungen meist zyklischen Belastungen ausgesetzt. Dadurch kommt es neben einer geometrischen Kerbwirkung und einem Einfluss auf die Materialeigenschaften durch die Ausformung des Fügepunktes zu einer Beeinflussung der Ermüdungsfestigkeit durch Reibung. Aktuell besteht eine große Unsicherheit beim Einsatz des Clinchens in der Industrie, bezogen auf die sich daraus ergebenden Mechanismen der Rissinitiierung bei schwingender Belastung. Dabei ist in diesem Fügeverfahren großes Potential durch die Einsparung von Fügeelementen und Vorlochoperationen vorhanden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die reibungsbasierte Rissinitiierung bei umformtechnisch gefügten Aluminiumknetlegierungen am Beispiel des Clinchens zu charakterisieren und prognostizieren zu können.
Die Ermittlung der wichtigsten Größen im Reibkontakt am Clinchpunkt (Fugendruck und Schlupf) erfolgte simulativ, da eine messtechnische Erfassung nicht möglich ist. Die so er langten Erkenntnisse konnten in vereinfachten Reibuntersuchungen am Reibwert- und Reibklötzchenprüfstand verwendet werden, um die Charakteristik des Aluminiumwerkstoffes im Reibkontakt zu ermitteln. Der Einsatz des Örtlichen Konzeptes (=Kerbdehnungskonzept) zur Abschätzung der Anrisslebensdauer der Reibklötzchenversuche, auf Basis der Nachmodellierung der Versuche in der Simulation, resultierte zunächst in einer nicht-konservativen Lebensdauerabschätzung. Mit Berücksichtigung der Reibbeanspruchung im Örtlichen Konzept konnte der Unterschied zwischen der Anrisslebensdauer aus Experiment und Simulation erfolgreich reduziert werden. Das Örtliche Konzept mit Berücksichtigung der Reibbeanspruchung konnte anschließend im Abgleich mit experimentellen Anrissversuchen zielführend auf die Abschätzung der Anrisslebensdauer von Clinchverbindungen angewendet werden.
Mit der erarbeiteten Methodik ist es möglich, den Rissinitiierungsort und die Anrisslebensdauer für die untersuchte Clinchverbindung mithilfe des Örtlichen Konzeptes, unter Berücksichtigung der Reibbeanspruchung, konservativ und treffsicher abzuschätzen.