Ultrasonic spot welding of aluminum sheet/carbon fiber reinforced polymer - joints

Current demands on light weight constructions lead to an increasing use of light weight metals such as aluminum or magnesium alloys as well as fiber reinforced polymers (FRP). Suitable welding methods are necessary to join these dissimilar material groups and to integrate them in engineering structures. At the Institute of Materials Science and Engineering the ultrasonic metal welding technique was successfully applied to realize aluminum sheet/carbon‐fiber‐reinforced polymer (CFRP) ‐ joints. The welding during this process occurs in two steps: First the ultrasonic shear waves lead to a softening and displacement of the polymer matrix out of the welding zone. In the second step a direct weld between the load bearing carbon fibers of the CFRP and the aluminum alloy sheet is generated. A welding time of less than 5 s and no damage of the carbon fibers are important advantages of the process. Actually tensile shear strengths of about 30 MPa were achieved for the joints. By means of light microscopic and SEM investigations the bonding mechanisms can be described in detail. Possible application fields of such welds can be seen in the automotive or in the aircraft industry. Ultraschallpunktschweißen von Aluminiumblech/C‐Faser‐Kunststoff – Verbunden Aus ökonomischen und ökologischen Gründen gewinnen Leichtbaustrukturen in der industriellen Fertigung ständig an Bedeutung. Dies führt zu einem verstärkten Einsatz von Leichtmetallen wie Aluminum‐ und Magnesiumlegierungen sowie von Faserverbundwerkstoffen. Zum stoffschlüssigen Fügen derart unterschiedlicher Werkstoffgruppen müssen geeignete Schweißverfahren zur Verfügung stehen. Am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern wurde erstmals die Metall‐Ultraschallschweißtechnik erfolgreich zum Fügen von Aluminiumblech/Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ‐ Verbunden eingesetzt. Die Schweißung erfolgt in zwei Schritten: Im ersten Schritt wird durch die einwirkenden Ultraschallscherwellen die Matrix des CFK im Fügebereich plastifiziert und aus der Schweißzone verdrängt. Die lasttragenden C‐Fasern des CFK werden freigelegt und können somit im zweiten Schritt direkt mit dem metallischen Fügepartner verschweißen. Während des Fügevorgangs tritt keine Schädigung des in der Matrix eingebetteten C‐Faser‐Textils auf. Innerhalb von maximal 5 s ist der Ultraschall‐Punktschweißvorgang abgeschlossen. Durch den Einsatz des Metall‐Ultraschallschweißverfahrens können bisher Metall/CFK‐Verbunde mit Zugscherfestigkeiten von