Durchsetzfügen bei Hybridbauweisen aus Stahl und Aluminium

Ziel des Projektes war, die Eigenschaften geclinchter Mischverbindungen von Stahl und Aluminiumwerkstoffen unter mechanischer und thermischer Belastung zu ermitteln, um der Konstruktion und Fertigung Hinweise für eine werkstoff- und fügegerechte Gestaltung der Verbindungsstelle zu geben. Unter dem Aspekt der Verbindungsfestigkeit zeigte sich, dass der Stahlwerkstoff grundsätzlich stempelseitig angeordnet sein sollte. Unter quasistatischer Belastung lassen sich bei der Anordnung „Stahl in Aluminium“ je nach Dicke und Festigkeit der Fügeteilwerkstoffe sowie abhängig von der Belastungsrichtung insbesondere unter Scherzugbelastung bis zu doppelt so hohe Maximalkräfte übertragen als bei umgekehrter Anordnung der Fügeteile. Unter schwingender Beanspruchung können die Stahl in Aluminium-Verbindungen sogar mit einer zwei- bis fünffach höheren Amplitude belastet werden.

Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeteilwerkstoffe bewirken bei Temperaturbelastung eine Reihe unterschiedlicher Effekte. Bei stempelseitiger Anordnung des Aluminiumwerkstoffes führte eine einmalige Erwärmung auf 180°C zu einer Lockerung der Verbindung durch plastische Verformung des Aluminiums. Bei Mehrelementproben kommt es bei einem großen Fügepunktabstand sowie geringer Steifigkeit der Fügeteile im Flanschbereich zu einem Aufwölben des Aluminiumbleches. Wahrend einer Temperaturbelastung von 180°C konnten Taschen mit einer Höhe von bis zu 1,7 mm gemessen werden, was insbesondere bei der Kombination des Clinchens mit dem Kleben zu berücksichtigen ist. Durch eine Verringerung des Fügepunktabstandes und einer Erhöhung der Fügeteilsteifigkeit konnten die temporären Verformungen erheblich eingeschränkt und bleibende Verwerfungen vermieden werden.

Bei stempelseitiger Anordnung der Stahlfügeteile wirkten sich Temperaturbelastungen nicht wesentlich auf die Verbindungsfestigkeit aus. Sind die Aluminiumfügeteile stempelseitig angeordnet, kann eine thermische Belastung der Bauteile, z. B. durch eine KTL-Aushärtung, zu einer Verminderung der Verbindungsfestigkeit im vorliegenden Fall um bis zu 15 % führen.

Gründe hierfür sind der erwähnte Verlust des Kraftschlusses, eine Verformung des Clinchelementes im Halsbereich bei ausreichend hoher , Temperatur und Fügeteilsteifigkeit sowie eine Entfestigung des Aluminiumwerkstoffes im Halsbereich insbesondere bei naturharten Legierungen.
Das Clinchen von Stahl und Aluminium ist prozesssicher möglich. Es sollte jedoch immer die Fügerichtung Stahl in Aluminium eingehalten werden.