Joining of light alloys to fiber reinforced composites for hybrid lightweight applications in aircrafts by high power ultrasonics

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Balle
• Subject Area: Polymeric and Biogenic Materials and Derived Composites ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 263047333

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Das Ultraschalltorsionsschweißverfahren wurde grundlagenorientiert an drei Konzepten alterungsbeständiger Leichtmetall/Faserverbund-Strukturen untersucht. Es wurden die Aluminiumlegierungen AA2198 und AA5024, die Titanlegierungen TiAl6V4 und cp-Ti gr. 1 und sowohl glas- als auch kohlenstofffaserverstärktem PEEK und PPS untersucht. Zur Identifikation geeigneter Prozessparameter für Verbundkombinationen mit Aluminium als sonotrodenseitigem Fügepartner wurden moderne statistische Versuchsmethoden genutzt. Mittels hochaufgelöster online Aufzeichnung der relevanten Prozessgrößen und der thermischen Vorgänge des Prozesses konnte die Kinematik der Fügetechnologie für ausgewählte hybride Aluminium-FKV-Verbunde analysiert und charakterisiert werden. Hierfür konnte eine Dynamik der Bindungsbildung abgeleitet und die Eignung der Prozessparameter gezeigt werden. Detaillierte Bruchflächenanalysen und die Ermittlung der lokalen Festigkeitsverteilung mittels Segmentierung der Fügezone zeigten eine stark inhomogene Bindungszusammensetzung im Bereich der Sonotrodenkoppelfläche bestehend aus adhäsiven und kohäsiven Anteilen und auch in Bereichen darüber hinaus. Diese Analyse erlaubt ein detaillierteres Verständnis der Bindungsvorgänge. Die Messung des elektrischen Übergangswiderstandes hybrider Verbunde bestätigte die isolierenden Eigenschaften des eingesetzten Glasfasertextils. Diese isolierende Eigenschaft konnte bei allen untersuchten Verbunden gezeigt werden, die über ein Glasfasertextil verfügen. Eine Zerstörung des Textils und damit ein direkter Kontakt zwischen Aluminium und Kohlenstofffasern durch den Fügeprozess trat nicht auf. Zusätzlich konnte mit dieser Messung die Ausprägung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Aluminium und den Verstärkungsfasern mit Hilfe des elektrischen Übergangswiderstands gezeigt werden. Durch die moderne Technologie der Röntgenmikroskopie wurden drei unterschiedliche Prozessvarianten zerstörungsfrei untersucht und Modifikationen in der geometrischen Ausbildung der Fügezone charakterisiert. Zusätzlich konnte dadurch eine numerische und qualitative Analyse der resultierenden Porenbildung durchgeführt werden. Die Ermüdungseigenschaften von AA5024/(GF)-CF-PEEK-Verbunden wurden mittels Laststeigerungs- und anschließenden Einstufenversuchen bei 5 Hz bestimmt. Die Dauerfestigkeit wird unter zyklischer Belastung bei einer Oberkraft von 2900 N, was etwa 35\% der quasistatisch maximal ertragbaren Zugscherkraft entspricht, erreicht. Zusätzlich konnte ein ausgeprägter Abfall der Verbundsteifigkeit auf etwa 88% zum Lebensende unter zyklischer Belastung beobachtet werden. Darüber hinaus konnte ein modifizierter Versagensmechanismus bei zyklisch verformten Hybridverbindungen identifiziert werden. Mittels einer eigens konzipierten und gefertigten Einspannvorrichtung, die das Fügen von Mehrpunkt-Geometrien ermöglicht, konnte die Übertragbarkeit der bisherigen Resultate auf komplexere bauteilnahe Strukturen untersucht werden. Diese Verbunde wurden zusätzlich abschließend nach thermischer Wechselbeanspruchung mechanisch geprüft. Hierbei konnte keine signifikante Schädigung der Verbunde durch die thermische Belastung im luftfahrtrelevanten Temperaturfenster beobachtet werden. Die Anwendungspartner CTC und Airbus nutzen u.a. die vorliegenden Ergebnisse zur Vorbereitung der Technologieeinführung des Ultraschallschweißens für das niet- und klebstofffreie Fügen von thermoplastischen Flugzeugstrukturen.

Publications

• Joining of light metals to fiber reinforced polymer composites by power ultrasonics. In: Proceedings of ECCM-17 Conference. Munich, Germany, June 26-30, 2016
  F. Balle, F. Staab, J. Born
  
• Ultrasonic Torsion Welding of Aging Resistant Al/CFRP Joints - Concepts, Mechanical and Microstructural Properties. Key Engineering Materials 742, 395-400, 2017
  F. Staab, F. Balle, J. Born
  
• Ultrasonic torsion welding of ageing-resistant Al/CFRP joints: Properties, microstructure and joint formation, Ultrasonics 93, 139-144, 2019
  F. Staab, F. Balle
  
• Local shear strength distribution of ultrasonically welded hybrid Aluminium to CFRP joints, Composite Structures 248, 112481, 2020
  F. Staab, M. Liesegang, F. Balle
  
• 3D X-ray Microscopy of Ultrasonically Welded Aluminum/Fiber-Reinforced Polymer Hybrid Joints, Materials 14, 1784, 2021
  F. Staab, M. Prescher, F. Balle, L. Kirste
  
• Amancio-Filho: Friction-based processes for hybrid multi-material joining, Composite Structure 266, 113828, 2021
  F. Lambiase, F. Balle, L. Blaga, F. Liu, S.
  
• Sonotrodes for Ultrasonic Welding of Titanium/CFRP-joints - Materials Selection and Design, 2021 Manufacturing and Materials Processing, 5, 61, p. 1 – 18, 2021
  M. Liesegang, Y. Yu, T. Beck, F. Balle
  
• Fatigue properties and fracture mechanics of ultrasonically welded aluminium to fiber reinforced thermoplastic joints. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Volume 45, 2022, 607-616
  F. Staab, F. Balle