Experimentelle und simulative Analysen

145 Pages·2002·10.82 MB·German

IVW - Schriftenreihe Band 89

Institut für Verbundwerkstoffe GmbH - Kaiserslautern
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Sebastian Schmeer

Experimentelle und simulative
Analysen von induktionsgeschweißten
Hybridbverbindungen
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Herausgeber: Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang
Erwin-Schrödinger-Straße
TU Kaiserslautern, Gebäude 58
67663 Kaiserslautern
http://www.ivw.uni-kl.de

Verlag: Institut für Verbundwerkstoffe GmbH

Druck: Technische Universität Kaiserslautern
ZBT – Abteilung Foto-Repro-Druck

D 386

© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Kaiserslautern 2009

Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der
auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der
Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung.

Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany.
ISSN 1615-021X
ISBN 978-3-934930-85-8
ISBN 3-934930-85-9
Experimentelle und simulative Analysen von induktions-
geschweißten Hybridverbindungen

Beim Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
der Technischen Universität Kaiserslautern
am 15. Mai 2009 eingereichte Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)

vorgelegt von
Dipl.-Ing. Sebastian Schmeer
aus Wiesbaden

Tag der mündlichen Prüfung: 08. September 2009

Dekan: Prof. Dr.-Ing. S. Ripperger
Prüfungsvorsitzender: Prof. Dr.-Ing. P. Mitschang
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. M. Maier
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. E. Kerscher

D 386

MEINER FAMILIE GEWIDMET

Vorwort I
Vorwort

Diese Arbeit entstand während meiner Zeit als Projektingenieur und wissenschaftli-
cher Mitarbeiter an der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) in der Gruppe
„Crash und Energieabsorption“ zwischen den Jahren 2003 und 2009.
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Martin Maier, der mich
ausgezeichnet betreute, mir Freiräume und Gestaltungsmöglichkeiten zubilligte und
mir dabei sehr großes Vertrauen entgegen brachte. Danken möchte ich auch Herrn
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher für die freundliche Übernahme des Zweitgutach-
tens. Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang danke ich herzlich für seine Tätigkeit als
Prüfungsvorsitzender.
Bei der Geschäftsleitung und der gesamten Belegschaft des IVW möchte ich mich für
die guten Arbeitsbedingungen und die äußerst hilfsbereite und kollegiale Zusam-
menarbeit bedanken. Besonders hervorheben möchte ich hier die Herren Stefan
Gabriel, Hermann Giertzsch, Robert Korb, Michael Magin, Andre Meichsner, Henrik
Schmitt, Thomas Schütz, Ralph Schneider, Ralf Schimmele, Markus Steeg sowie
Nikolai Voll. Auch den ehemaligen Kollegen Alexander Elbe, Christian Fremgen,
Heiko Hess, Ulrich Huber, Michael Kaiser, Matthias Repsch, Tim Noll und Rudi
Velthuis sei an dieser Stelle für deren Beiträge zu meiner Arbeit und die schöne
gemeinsame Zeit herzlich gedankt. Erwähnen möchte ich in diesem Zusammenhang
auch die Studenten, die im Rahmen von Diplom- und Studienarbeiten sowie als
Hilfswissenschaftler zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Hier möchte ich
Timo Braunbach, Alexandre Esteves-Gil, Michael Geier, Moritz Hübler, Artur Jungie-
wicz, Carsten Mannweiler, Henri Perrin, Thomas Scherer und Martin Tesch nennen.
Der größte Dank aber gebührt meiner Familie. Meinen Eltern, die mich in unnach-
ahmlicher Weise seit meiner Geburt unterstützen und fördern. Meinen Schwiegerel-
tern, die mir stets sehr liebevoll und hilfsbereit beistehen und natürlich meiner lieben
Frau Maren, die mir mit Verständnis, Geduld und Verzicht nötige Freiräume für meine
Arbeit geschaffen und mir motivierend zur Seite gestanden hat. Eine zusätzliche und
sehr spezielle Motivation war stets auch unsere Tochter Jette.

Neustadt an der Weinstraße im September 2009 Sebastian Schmeer
II
Inhaltsverzeichnis III
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung.............................................................................................................VI
Abstract..................................................................................................................VIII
Nomenklatur..............................................................................................................X
1 Einführung...........................................................................................................1
2 Grundlagen..........................................................................................................3
2.1 Fügeverfahren für hybride Verbindungen ....................................................3
2.1.1 Übersicht .........................................................................................3
2.1.2 Kleben.............................................................................................4
2.1.3 Schweißen.......................................................................................5
2.1.4 Hybridschweißen.............................................................................6
2.1.5 Hybridschweißen durch Induktion....................................................7
2.1.5.1 Einordnung................................................................................7
2.1.5.2 Verfahrensbeschreibung............................................................8
2.1.5.3 Potentialbewertung..................................................................11
2.2 Einflussgrößen auf das mechanische Verhalten........................................12
2.3 Experimentelle Untersuchung von Fügeverbindungen ..............................13
2.4 Spannungen in Verbindungen ...................................................................15
2.5 Versagen von Verbindungen .....................................................................18
2.6 Auslegung von Verbindungen....................................................................19
2.6.1 Überblick........................................................................................19
2.6.2 Analytische Verfahren....................................................................19
2.6.3 Finite Element Methode.................................................................22
2.7 Werkstoffmodelle in der Simulation............................................................25
3 Ziele und Herangehensweise...........................................................................31
4 Experimentelle Untersuchungen.....................................................................35
4.1 Probenkörper.............................................................................................35
4.2 Prüf- und Messtechnik...............................................................................35
4.2.1 Überblick........................................................................................35
4.2.2 Prüfmaschinen...............................................................................35
4.2.3 Optische Messtechnik....................................................................40
IV Inhaltsverzeichnis

4.2.4 Kameratechnik...............................................................................42
4.3 Grundlagenexperimente ............................................................................43
4.3.1 Überblick........................................................................................43
4.3.2 Normalbeanspruchung..................................................................45
4.3.3 Schubbeanspruchung....................................................................48
4.3.4 Temperatur und Prüfgeschwindigkeitsvariationen.........................49
4.4 Validierungsexperimente ...........................................................................51
5 Experimentelle Ergebnisse..............................................................................52
5.1 Überblick....................................................................................................52
5.2 Charakterisierung der Fügeteilwerkstoffe..................................................52
5.2.1 FKV................................................................................................52
5.2.2 Aluminiumlegierung (AlMg3)..........................................................55
5.2.3 Polyamid 66...................................................................................56
5.3 Mikroskopische Untersuchungen der Fügezone........................................58
5.4 Quer-Druck-Versuche................................................................................59
5.5 Schubversuche..........................................................................................62
5.6 Validierversuche........................................................................................63
5.7 Einfluss der Temperatur.............................................................................65
5.7.1 Quer-Druck-Versuche....................................................................65
5.7.2 Schubversuche..............................................................................68
5.8 Einfluss der Prüfgeschwindigkeit...............................................................70
5.8.1 Quer-Druck-Versuche....................................................................70
5.8.2 Schubversuche..............................................................................72
5.9 Bruchflächenanalyse..................................................................................76
6 Simulation.........................................................................................................83
6.1 Modellbeschreibung und Annahmen..........................................................83
6.1.1 Allgemeines...................................................................................83
6.1.2 Geometrische Modellbildung.........................................................83
6.1.3 Elementwahl und Werkstoffsimulation...........................................86
6.2 Simulation der Grundlagenexperimente.....................................................89
6.2.1 Quer-Druck-Versuche....................................................................89
6.2.2 Schubversuche..............................................................................94