Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
Aufgrund ihrer Effizienz werden vorlochfreie, umformtechnische Fügeverfahren verstärkt im Mobilitätssektor eingesetzt. Im Fokus stehen dabei Verfahren, die ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils auskommen, wie bspw. das Clinchen. Vor allem im Bereich des Luftfahrzeugbaus herrscht derzeit ein Akzeptanzproblem bedingt durch die fehlenden Kenntnisse dieser Verbindungen hinsichtlich des Versagensverhaltens bei zyklischer Belastung. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die fundierte Analyse der Rissinitiierung an umformtechnisch gefügten Clinchverbindungen und die Prognose des Ortes und Anrisslebensdauer dieser Verbindungen. Eine zentrale Aufgabenstellung besteht dabei in der Darstellung des Einflusses der reibungsbasierten Rissinitiierung auf das Versagensverhalten der Clinchverbindung.
Lösungskonzept
Das Lösungskonzept basiert auf experimentellen Untersuchungen am Werkstoff und Clinchpunkt sowie auf der numerischen Simulation.
Experimentelle Untersuchung
Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen erfolgt eine genaue Werkstoffcharakterisierung, in welcher neben quasistatischen und zyklischen Kennwerten auch die Oberflächenzustände mittels 3D-Visualisierung ermittelt werden. Hierbei muss ein besonderes Augenmerk auf die Reibzustände zwischen den in Kontakt befindlichen Bauteilen gelegt werden.
Ermüdungsversuche an Clinchverbindungen und anschließende REM- und CT-Analysen sollen die Rissinitiierung und Rissausbreitung näher betrachten und den Einfluss der reibkorrosiven Beanspruchung auf die Ermüdungsfestigkeit herausstellen.
Numerische Simulation und zyklische Festigkeit
Der für die reibungsbasierte Rissinitiierung maßgebliche Kontaktspannungszustand im Fügepunkt ist, neben anderen Parametern, für eine derart komplexe Geometrie messtechnisch nicht erfassbar. Daher wird auf das Werkzeug der numerischen Simulation mittels FEM zurückgegriffen. Die entsprechenden experimentell ermittelten Kennwerte lassen eine genaue Beschreibung des Materials und der tribologischen Zustände in der Simulation zu und können diese validieren.
Große Bedeutung kommt dabei der Abbildung der gesamten Versuchskette zu. Durch die vorangestellte Simulation des Clinchprozesses können Eigenspannungszustände und die Umformhistorie erfasst werden und als Eingangsgrößen für anschließende 3D-Tragverhaltenssimulationen dienen. Aus diesen Simulationen können Werte für die rechnerische Ermittlung einer Anriss-Wöhlerlinie gewonnen werden. Parallel zu den Experimenten wird der Einfluss der Reibkorrosion auch simulativ analysiert.
Durch die Verknüpfung der Ergebnisse aus Experiment und numerischer Simulation wird eine detaillierte Abbildung der Mechanismen möglich, die zur Rissinitiierung und schließlich zum Versagen der Verbindungen führen. Somit können die erlangten Erkenntnisse auf die komplexe Geometrie einer Clinchverbindung übertragen werden und zur Prognose des Versagens, insbesondere vor dem Hintergrund einer reibungsbasierten Rissinitiierung, herangezogen werden.