Laser- und ultraschallunterstütztes Clinchen von hochfesten Stahl/Aluminium-Mischverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Füssel; Professor Dr.-Ing. Olaf Keßler; Professor Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227380527

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung des Anwendungsbereichs des Clinchens auf hochfeste Stahl/Aluminium-Mischverbindungen. Das Clinchen von Stahlblechen ist derzeit überwiegend auf Zugfestigkeiten < 800 N/mm² und Bruchdehnungen > 14% beschränkt. Aktuelle hochfeste Stahlbleche, wie pressgehärtete Stähle oder Komplexphasenstähle weisen jedoch höhere Festigkeiten auf. Im Leichtbau durch Mischbauweisen sollen solche hochfesten Stähle mit Aluminiumlegierungen gefügt werden. Um die Vorteile des prozesssicheren und wirtschaftlichen Clinchens nutzen zu können, müssen neue Verfahren erforscht werden. Teilziele sind daher grundlegende Betrachtungen des laserstrahlunterstützten und ultraschallunterstützten Clinchens. Eine differenzierte Betrachtung von Temperatur, Einwirkzeit, lokaler Werkstoff-beeinflussung, Werkzeuggeometrie und Energiebilanz geht weit über den derzeitigen Kenntnis-stand hinaus. Das Teilziel der Forschungsstelle Professur für Fügetechnik und Montage (TU Dresden) besteht in der Entwicklung eines Fügewerkzeugs, das die Durchleitung und Emission eines gepulsten Laserstrahles simultan und gesteuert zu einem Clinchvorgang gestattet. Über die lokale Erwärmung der Fügestelle soll das Clinchen schwer umformbarer Stahlblechwerkstoffe in Kombination mit Aluminiumwerkstoffen realisiert werden. Das Teilziel der Forschungsstelle Lehrstuhl für Fertigungstechnik (Univ. Rostock) liegt in der Entwicklung eines Clinchwerkzeugs, das die Beschallung mit Leistungsultraschall simultan und gesteuert zu einem Clinchvorgang erlaubt. Über den Schalldruck sowie über den Einfluss auf die Reibung zwischen den Fügepartnern soll das Clinchen hochfester Stahlblechwerkstoffe in Kombination mit Aluminium-legierungen ermöglicht werden. Mit beiden hybriden Verfahren und Einrichtungen sollen eine signifikante Fügekraftreduzierung, Verbesserung der Clinchpunkteigenschaften und Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Clinchen realisiert werden. Das Verständnis und die gezielte Beeinflussung der wesentlichen werkstofftechnischen Mechanismen des laserstrahl- und ultraschallunterstützen Clinchens stellen die Teilziele der Forschungsstelle Lehrstuhl für Werkstofftechnik (Univ. Rostock) dar. Dazu zählen insbesondere Versetzungsverfestigung, Erholung, Rekristallisation und Phasenumwandlungen, die orts- und zeitabhängig in der Clinchverbindung ablaufen und mikrostrukturell analysiert werden sollen. Der Zusammenhang zwischen Mikrostrukturen und Eigenschaften, wie auch der Zusammenhang zwischen Geometrie und Eigenschaften der Clinchverbindungen sollen untersucht werden. Die Teilziele der drei Forschungsstellen sind Bestandteil des übergeordneten Ziels der Erweiterung des Anwendungsbereichs des Clinchens auf hochfeste Stahl/Aluminium-Mischverbindungen. Dazu soll gemeinsam von allen drei Forschungsstellen eine neuartige Anlage zum gleichzeitig laser- und ultraschallunterstützten Clinchen entwickelt, aufgebaut und betrieben werden. Diese neue Anlage soll die Vorteile der beiden einzelnen Verfahrensvarianten kombinieren und dadurch den Anwendungsbereich des Clinchens noch stärker erweitern. Anlagentechnisch erscheint diese Kombination ausgesprochen attraktiv, da sowohl die Laserunterstützung als auch die Ultraschallunterstützung nur kleine Bauräume erfordern und einzeln bereits in Clinchprozesse integriert wurden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1640: Fügen durch plastische Deformation