Für den Prozeß des Fügens von Keramik bzw. Keramik mit Metall ergeben sich zahlreiche Probleme, die aus den Eigenschaften der Keramik und den Eigenschaftsdifferenzen zwischen Keramik und Metall resultieren. Unterschiedliche physikalische und mechanische Werkstoffkennwerte bewirken ein zumeist hohes Eigenspannungsniveau des Verbundes, welches in Verbindung mit dem spröden Bruchverhalten keramischer Materialien deren Fügbarkeit verhindert oder einschränkt. Als aussichtsreicher Ansatz bietet sich die Eigenschaftsanpassung des Aktivlotes durch dessen Modifikation mit verstärkenden Materialien an. Es wird ein Konzept für die Herstellung und den Einsatz verstärkter Aktivlote vorgestellt. Theoretische Grundlagen werden durch die Berechnung der Eigenschaften derartiger Lote auf der Basis bewährter Methoden der Verbundwerkstofftheorien geschaffen. Die Simulation mechanisch-thermischer Eigenschaften von Lötverbindungen mit verstärkten Aktivloten unter Einsatz der Methode der finiten Elemente dient dem Erfassen des Spannungsverhaltens. Richtlinien für die Wahl geeigneter Verstärkungskomponenten werden festgelegt. Es wird ein Überblick über geeignete Herstellungsmethoden, deren praktische Realisierung und die Wechselwirkung mit dem Prozeß des Aktivlötens gegeben. Die Bewertung von Aktivlötverbindungen mit verstärkten Loten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wird auf Grundlage der Ergebnisse von Festigkeitsuntersuchungen vorgenommen.

Schraubenverbindungen sind eine technische Lösung um Stromschienen aus Aluminium mechanisch und elektrisch zu verbinden. Als stationäre Verbindungen sollen sie für eine Zeit von 30 Jahren und mehr den Betriebsstrom übertragen ohne dabei die genormten, zulässigen Grenztemperaturen zu überschreiten. Die Grundvoraussetzung für eine langzeitstabile, stromführende Verbindung ist ein geringer Anfangswert des Verbindungswiderstands nach der Montage. Dieser ist abhängig von der Kontaktkraft und kann für jede Kombination aus Fügeelementen, Werkstoffen und Topografie der Leiteroberflächen an der konstruierten Verbindung experimentell bestimmt werden. Allgemeingültige Modellrechnungen zum elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen waren bisher nicht möglich. In dieser Arbeit wurde durch numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen eine Korrelation zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen hergestellt. Es wurde die inhomogene mechanische Spannungsverteilung auf der Kontaktfläche zwischen den Stromschienen bestimmt und damit ein Modell zum Berechnen des elektrischen Kontakt- und Verbindungswiderstands mit der Berücksichtigung des tatsächlich stromdurchflossenen Leitermaterials aufgestellt. Der Verbindungswiderstand kann sich, abhängig von der Temperatur und Zeit, durch verschiedene Alterungsmechanismen erhöhen. Das Altern durch den Abbau der Kontaktkraft wurde an Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen aus verschiedenen Aluminiumwerkstoffen untersucht. Es wurde die Kontaktkraft und der Verbindungswiderstand über einen Zeitraum von bis zu vier Jahren bei Temperaturen zwischen (80 … 160) °C bestimmt. Diese Untersuchungen wurden für ein System mit und ein System ohne federnde Fügeelemente durchgeführt, sowie die Kontaktkraft für eine Betriebszeit von 30 Jahren berechnet. Im Vergleich mit der experimentell bestimmten Mindestkontaktkraft und dem Werkstoffverhalten wurde eine Prognose zur Langzeitstabilität der stromführenden Verbindungen für eine konstante Belastung im Betrieb gegeben. Weiterhin wurden mit dem zeit und temperaturabhängigen Verhalten der Aluminiumwerkstoffe zulässige Grenz-temperaturen ermittelt, bei denen keine Entfestigung während der Betriebszeit auftritt. Für Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen wird eine identische, dauerhaft zulässige Grenztemperatur von 115 °C in der Norm angegeben [N1]. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der metallischen Überzüge, sowie die Reaktivität mit der Umgebung sind aber sehr unterschiedlich. An stromführenden und stromlos im Wärmeschrank bei 115 °C und 140 °C gelagerten Verbindungen wurde der Verbindungs-widerstand bis zu einer Zeit nach t = 25.000 h bestimmt. Es wurde das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei beschichteten Stromschienen, sowie einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene aus Aluminium untersucht und bewertet. Abhängig vom Schichtaufbau des metallischen Überzugs mit verschiedenen Zwischenschichten und Schichtdicken wurde der Einfluss der Interdiffusion mit der Bildung intermetallischer Phasen (IMP) auf das Langzeitverhalten der Verbindungen untersucht.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / A bolted joint is one technical possibility for mechanically and electrically connecting two busbars made of aluminium. This stationary connection shall carry the operating current for more than 30 years without exceeding the permissible limiting temperature given by international standards. For long-term stable, current-carrying connections a good electrical contact behaviour with a low initial value of the joint resistance is required after bolting. The joint resistance depends on contact force and can be measured at the constructed electrical joint for each combination of joining elements, conductor materials and pretreatment of conductor surfaces. General calculations for the electrical contact behaviour of current-carrying joints with flat contact surfaces, such as bolted joints with busbars, were not possible until now. In this thesis numerical calculations and experimental investigations were used to establish the relationship between mechanical and electrical contact behaviour of a bolted joint with busbars. In the first step, the inhomogeneous distribution of the mechanical stress was calculated on the contact area between two busbars. In the second step, a calculation model for the joint resistance and the contact resistance was created and verified by experiments. The joint resistance can increase by different ageing mechanisms depending on operating temperature and time. Ageing by the reduction of contact force was investigated on bolted joints with uncoated busbars made of various aluminium alloys. In long-term tests, these joints were loaded with temperatures between 80 °C and 160 °C. The contact forces and joint resistances were determined for up to four years of operation. Bolted joints with spring elements and without spring elements were investigated. Based on the results of these long-term tests, the contact force was calculated for up to 30 years of operation and compared with the experimentally determined minimum contact force of the joint. Together with the temperature and time dependent behaviour of the conductor materials, the long-term stability of the joints was evaluated for the case of constant thermal load during operation. Furthermore, permissible limiting temperatures at which no softening occurs during operation could be determined for various aluminium alloys. An identical limiting temperature of 115 °C is permanently permitted for bolted joints with nickel-coated and silver-coated busbars [N1] but the mechanical and electrical properties of the materials for these metallic coatings are very different. The chemical reactivity of both coatings also differs according to the environment. In long-term tests at current-carrying joints and joints which were aged in ovens at temperatures of (115 and 140) °C, the joint resistances were determined up to an operating time of t = 25.000 hours. Bolted joints with two identical coated busbars and also bolted joints with one coated and one bare busbar made of aluminium were investigated and evaluated. The influence of metallic coatings with different intermediate layers and layer thicknesses on the contact and long-term behaviour of the joints were examined. Due to interdiffusion between different materials, intermetallic compounds (IMC) can be formed. The ageing of bolted joints with coated busbars caused by the formation of IMC with poor electrical and mechanical properties compared to pure metals was investigated.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

Organic microcavities comprising the host:guest emitter system Alq3:DCM offer an interesting playground to experimentally study the dispersion characteristics of laterally patterned microlasers due to the broad emission spectrum and large oscillator strength of the organic dye. By structuring of metallic or dielectric sublayers directly on top of the bottom mirror, we precisely manipulate the mode structure and in fluence the coherent emission properties of the device. Embedding silver layers into a microcavity leads to an interaction of the optical cavity-state in the organic layer and the neighboring metal which red-shifts the cavity resonance, creating a Tamm-plasmon-polariton state. A patterning of the metal can in turn be exploited to fabricate deep photonic wells of micron-size, efficiently confining light in lateral direction. In periodic arrays of silver wires, we create a Kronig-Penney-like optical potential in the cavity and in turn observe optical Bloch states spanning over several photonic wires. We modify the Kronig-Penney theory to analytically describe the full far-field emission dispersion of our cavities and show the emergence of either zero- , π-, or 2π- phase-locking in the system. By investigating periodic SiO2 patterns, we experimentally observe stimulated emission from the ground and different excited discrete states at room temperature and are able to directly control the laser emission from both extended and confined modes of the photonic wires at room-temperature.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141 / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141

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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit analytischen, numerischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen zum Füge- und zum Übertragungsverhalten einer reibformschlüssigen Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindung. Die Besonderheit dieser Verbindung besteht darin, dass eine mit einer Rändelung und Übermaß versehene harte Stahlwelle in eine weiche Aluminiumnabe mit kreisrunder Bohrung längseingepresst wird. Die maßgebende Größe für den Fügevorgang ist der Fasenwinkel der Welle φ. Der Nabenwerkstoff wird hierbei in Abhängigkeit des Fasenwinkels der Welle φ umgeformt beziehungsweise herausgeschnitten. Mit Hilfe der relativen Festigkeit R F , welche das Verhältnis von maximaler Lösekraft F l, max zu maximaler Fügekraft F f, max repräsentiert, wurde ein Gütekennwert zur gezielten Auswahl von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindungen hinsichtlich der axialen Übertragungsfähigkeit abgeleitet. Die Charakterisierung der experimentell ermittelten Torsionsmoment - Verdrehwinkel - Kurven ergab zur Auslegung die Bereiche Auslegungs- und Versagenskriterium. Das maximal übertragbare Torsionsmoment wird beim sogenannten Versagenskriterium τ S durch das Abscheren der Rändel in der Nabe erreicht. In Analogie zum Füge- und zum Löseverhalten zeigt sich der positive Einfluss des Fasenwinkels φ auf das übertragbare Torsionsmoment. So können formend gefügte Stahl-Aluminium- Rändelpressverbindungen ein um bis zu ca. 40% größeres statisches Torsionsmoment als vergleichbare schneidend gefügte Rändelpressverbindungen übertragen. Das mechanisch-physikalische Berechnungsmodell zur Berechnung des statisch übertragbarenTorsionsmomentes basiert auf der Kerbzahnverbindung. Damit kann das Torsionsmoment am Auslegungskriterium T pF sowie das maximal übertragbare Torsionsmoment bei Abscherung Tτ S ermittelt werden. Die Berücksichtigung des formenden beziehungsweise schneidenden Fügevorgangs wird in Abhängigkeit des Fasenwinkels φ mit Hilfe des sogenannten winkelbasierten Umformgrades ε plRPV beschrieben. / The present thesis provides analytical, numerical and experimental fundamental studies for the joining behaviour and the transmission behaviour of a friction and form closure steel-aluminum knurled interference fit. The special feature of this connection is a knurled and oversize hard steel shaft, longitudinally pressed in a soft aluminum hub with a circular bore. The most important parameter for the joining process is the shaft chamfer angle φ. Due to the shaft chamfer angle φ the material of the hub will be formed or cutted during the joining process. By using the relative strength, the quotient of push out force and joining force who describes the joint strength, a first quality parameter for a precise selection of steel-aluminum knurled interference fit has been derived. The description of the experimentally determined torque - twisting angle – curves has shown areas of design criterion and mechanical breakdown. The maximum transmittable torque is achieved by reaching the shearing stress of the knurls in the hub - mechanical breakdown τ S. Similar to the joining and the push out behaviour, the positive influence of the shaft chamfer angle φ is also shown at the transmittable torque. Furthermore, knurled interference fits joined by forming can transmit higher torques of about 40% than interference fits joined by cutting due to the material hardening. The mechanical-physical model for calculating the static transmittable torque is based on the serration connection. Thus, the torque at the design criterion and the maximum transmittable torque at the mechanical breakdown can be found. The consideration of the forming or cutting joining process is described as a function of the shaft chamfer angle φ using the so-called angle-based plastic strain ε plRPV.

Der Vortrag stellt das neue, unendlich reibungsbehaftete Kontaktmodell der FEM-Berechnungssoftware Pro/ENGINEER Mechanica in der Version Wildfire 4.0 von PTC vor. Dabei werden sowohl die Grundlagen des reibungsfreien Kontaktes als auch die Theorie des unendlich reibungsbehafteten Kontaktmodells behandelt sowie die Grundlagen der zur numerischen Lösung in der Software verwendeten Penalty- und Newton-Raphson-Methode erläutert. Als Anwendungsbeispiel für das reibungsfreie Kontaktmodell wird ein Zylinderrollenlager vollständig mit sämtlichen Wälzkontakten für verschiedene Lager- und Einbauspiele berechnet, die Ergebnisse umfassend dargestellt sowie eine analytische Gegenrechnung nach der Hertzschen Theorie ausgeführt, die sehr gute Übereinstimmung mit der numerischen Simulation zeigt. Für das reibungsbehaftete Kontaktmodell wird exemplarisch eine geschrumpfte Welle-Nabe-Verbindung unter Torsion berechnet. Diese wird einer analytischen Lösung sowie verschiedenen 2D-Idealisierungen (ebener Spannungszustand, ebener Dehnungszustand, 2D-Axialsymmetrie) gegenübergestellt.

Der Vortrag stellt das neue, unendlich reibungsbehaftete Kontaktmodell der FEM-Berechnungssoftware Pro/ENGINEER Mechanica in der Version Wildfire 4.0 von PTC vor. Dabei werden sowohl die Grundlagen des reibungsfreien Kontaktes als auch die Theorie des unendlich reibungsbehafteten Kontaktmodells behandelt sowie die Grundlagen der zur numerischen Lösung in der Software verwendeten Penalty- und Newton-Raphson-Methode erläutert. Als Anwendungsbeispiel für das reibungsfreie Kontaktmodell wird ein Zylinderrollenlager vollständig mit sämtlichen Wälzkontakten für verschiedene Lager- und Einbauspiele berechnet, die Ergebnisse umfassend dargestellt sowie eine analytische Gegenrechnung nach der Hertzschen Theorie ausgeführt, die sehr gute Übereinstimmung mit der numerischen Simulation zeigt. Für das reibungsbehaftete Kontaktmodell wird exemplarisch eine geschrumpfte Welle-Nabe-Verbindung unter Torsion berechnet. Diese wird einer analytischen Lösung sowie verschiedenen 2D-Idealisierungen (ebener Spannungszustand, ebener Dehnungszustand, 2D-Axialsymmetrie) gegenübergestellt.

Externe Fixateure werden häufig für die Stabilisierung und Behandlung schwerer Frakturen genutzt. Schraubenkanalinfektionen können dabei zu Komplikationen, wie Osteomyelitis und Stabilitätsverlusten führen. Es ist unklar, ob Schraubenkanalinfektionen zu Schraubenlockerungen führen, oder aber ob der Stabilitätsverlust von Schrauben in Schraubenkanalinfektionen resultiert. Das Ziel dieser Studie ist es, einen Zusammenhang zwischen der mechanischen Stabilität, dem Auftreten von Infektionen und der osseären Verankerung darzustellen. An 27 Schafen wurde eine standardisierte Osteotomie (3mm weiter Frakturspalt) der rechten Tibia durchgeführt und mit einem monolateralem Fixateur externe stabilisiert. Während der täglichen Pinpflege wurde die Haut um die Schraubeneintrittsstellen begutachtet. Radiologische Verlaufskontrollen erfolgten in wöchentlichen Abständen. Nach 3, 6 und 9 Wochen wurden die Tiere getötet, die Ausdrehmomente der Schrauben gemessen und mikrobiologische Abstriche genommen. Knochenschnitte durch die Schraubenkanäle wurden für histologische, histochemische und histomorphometrische Analysen genommen. In dieser Studie scheint es zu einer Zunahme der Stabilisierung der osseären Verankerung während des Heilungsverlaufes zu kommen. Da die kortikale Knochendichte über die Zeit abnimmt, kann die zunehmend stabilere Verankerung der Schrauben einzig über eine gleichzeitige periostale Kallusdichtezunahme erklärt werden. Die größten Ausdrehmomente des neugebildeten periostalen Kallus wurden zum Sechswochenzeitpunkt gemessen. Danach nimmt die periostale Kallusfläche ab, wohingegen die Kallusdichte zunimmt. Die mikrobiologische Besiedelungsrate (15%) war dreifach höher als die klinisch bestätigten Infektionen. Hingegen war die Osteolyserate (28%) doppelt so hoch wie die mikrobiologisch bestätigte Infektionsrate. Eine Korrelation zwischen Infektion, Osteolyse und Pinlockerung konnte nicht gefunden werden. / External fixators are frequently used for the stabilization and the treatment of problematic fractures. Pin track infections have been shown to cause complications such as osteomyelitis and loss of stability of osteosynthesis. It remains unclear, whether pin track infection provokes pin loosening, or loss of the pin stability results in pin track infections. The aim of this study was to investigate the correlation between the mechanical stability of pins, the incidence of pin track infections and the osseus anchorage of pins. 27 sheep underwent a standardized osteotomy (3 mm gap) of the right tibia. The tibiae were stabilized by a monolateral external fixator. Within the daily pin care routine, the skin around the pin entries was scored. Radiographs were taken at weekly intervals. After 3, 6 and 9 weeks, the animals were sacrificed, the extraction torque of all pins was determined and microbiological analyses were taken. Bone sections through the pintracks were taken for histological, histochemical and histomorphometrical analysis. This study reveals an increasing stability of osseous pinanchorage over the course of healing. As the cortical bone density decreased over time, the increased anchorage-stability of the pins can only be explained by the simultaneous increase of the periosteal callus bone density. The magnitude of the extraction force is determined by the newbuilt periosteal callus, which is at its biggest value at six weeks. Afterwards, the periosteal callus area abates, while the callus bone density accumulates. The microbiologically affirmed infection rate (15%) was three times higher than the one clinical ascertained. In contrast the evidence of osteolysis (28%) was twice as high as the microbiologically diagnosed infection-rate. Despite the low infection rate, evidence of cortical lysis coud not be prevented. No correlation could be found between infection, osteolysis and pin loosening.

Bestärkt durch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Formen des Bauens gewinnen Holzkonstruktionen wieder unverkennbar an Bedeutung. Mit dieser Entwicklung bilden sich neue Konstruktionsprinzipien und Materialkombinationen im Bauwesen heraus, zu deren ingenieurtechnischer Beurteilung zum Teil keine ausreichenden Erkenntnisse vorliegen. Verbundkonstruktionen aus Holz und Glas sind eine innovative Bauweise, die zu einer höheren Materialeffizienz in Fassaden beiträgt, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend hinterfragt wurde. Werden Holz und Glas durch eine tragende Klebung verbunden, lässt sich das vielfach ungenutzte Tragpotenzial ausschöpfen, das eine in Scheibenebene belastete Verglasung aufweist. Die Qualität der Klebung entscheidet dabei über die Eigenschaften und das Leistungsvermögen des Bauteils. Die üblicherweise an dieser Schnittstelle eingesetzten Silikonklebstoffe weisen eine hohe Nachgiebigkeit und eine vergleichsweise geringe Festigkeit auf. Wenn die Verbundelemente als Aussteifung mitwirken sollen, bleibt ihr Einsatz deswegen auf Gebäude mit höchstens zwei Geschossen limitiert. Die vorliegende Arbeit trägt entscheidend zur Erweiterung der baulichen Möglichkeiten bei, indem sie der Anwendbarkeit von hochfesten Klebstoffen, die für den Einsatz im Bauwesen nur wenig erforscht sind, auf vielschichtige Weise nachgeht. Im Fokus stehen aussteifende Holz-Glas-Verbundelemente für die Fassade. Weder die Bauart noch das Bauprodukt Klebstoff sind derzeit in Deutschland in einer Norm erfasst. Das Klären der baurechtlichen Rahmenbedingungen ist daher unerlässlich und erfolgt mit engem Bezug zum konstruktiven Glasbau. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Interpretation wird dadurch eine praxisnahe Bewertung der Versuchsergebnisse möglich, was ein Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit darstellt. Das Verformungsvermögen des Klebstoffs spielt eine zentrale Rolle bei der Materialauswahl und Gestaltung der Holz-Glas-Verbundelemente. Der Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf das Tragverhalten eines Einzelelements und auf dessen Interaktion mit den anderen Bestandteilen des Tragwerks wird an einem Modellgebäude untersucht. Auf Basis dieser Parameterstudie lassen sich drei Steifigkeitsbereiche definieren, auf die sich die Klebstoffauswahl für die weiteren Untersuchungen stützt. Der experimentelle Teil der Arbeit beginnt mit der ausführlichen Charakterisierung von sieben Klebstoffen. Davon werden zwei höherfeste Klebstoffe als geeignet identifiziert. Ein Silikonklebstoff wird als Referenzmaterial zur aktuellen Anwendungspraxis festgelegt. Das Hauptaugenmerk der folgenden Experimente richtet sich auf Aspekte der Alterungsbeständigkeit und des zeitabhängigen Materialverhaltens unter langandauernder mechanischer Beanspruchung. In labormaßstäblichen Alterungsprüfungen werden die Klebstoffproben unterschiedlichen Schadeinwirkungen ausgesetzt, die im Glas- und Fassadenbau relevant sind. Darüber hinaus erfolgen Kriechversuche an kleinen und großen Scherprüfkörpern. Letztere stellen einen besonderen Mehrwert dar, da sie eine realistische Klebfugengeometrie aufweisen und die Ergebnisse dadurch dem tatsächlichen Bauteilverhalten nahekommen. Für diese Zeitstandversuche wurde eine bislang einzigartige Versuchsanlage aus sechs Prüfrahmen mit Gasdruckfederbelastung entwickelt. Im Ergebnis zeigt sich, dass mit den gewählten höherfesten Klebstoffen die Festigkeit der nicht gealterten Klebschichten erwartungsgemäß gesteigert werden kann. Der Bruch des Fügepartners Holz wird zum maßgebenden Versagenskriterium. Die Verformungen des Verbundelements reduzieren sich gegenüber einer Silikonklebung deutlich. Allerdings offenbaren sich in einzelnen Alterungsszenarien und unter langandauernder Belastung auch Schwachstellen dieser Klebstoffe. Ihre Verwendung kann daher nur mit konstruktiven Kompensationsmaßnahmen oder durch Abschirmen der kritischen Einwirkungsgrößen empfohlen werden. Entsprechende Vorschläge werden bei der abschließenden Bewertung der Ergebnisse unterbreitet. Verfahren und Beurteilungsmethoden, die in dieser Arbeit angewendet und entwickelt werden, erleichtern die zukünftige Bewertung weiterer aussichtsreicher Klebstoffe für den Holz-Glas-Verbund. / Wooden constructions are on the rise again – encouraged by a strong public and economic trend towards sustainable and resource efficient buildings. Spurred by this growing interest novel design principles and material assemblies in architecture and the building industry evolve. These developments require further research due to the absence of evaluation tools and insufficient knowledge about their design. Load-bearing timber-glass composite elements could contribute to a more efficient use of materials in façade constructions. In this case a linear adhesive bond connects the glass pane to the timber substructure. This enables an in-plane loading of the glass whose capacity is not used to its full potential in conventional façades as it is solely applied as an infill panel. The quality of the adhesive bond defines the characteristics and the performance of the whole structural component. Structural sealants such as silicones, which are typically used for the joint, provide a high flexibility and only a low load-bearing capacity. Considering such elements being part of a bracing system, the mentioned characteristics limit the application range to buildings with not more than two stories. This thesis widens the scope with an in-depth examination of high-modulus adhesives, which have not yet been evaluated for their use in building constructions. Timber-glass composite elements used as a bracing component in façades are the focus of this work. Neither the full structural component nor the adhesive have yet been included into German building standards. Hence it is essential to assess the general requirements of their application. The relevant aspects are clarified in the context of glass constructions. In addition to the scientific discussion of the results, this approach facilitates also a practical evaluation of the findings, which is a unique feature of this work. The deformability of the adhesive becomes a crucial criterion when selecting the individual materials and designing the timber-glass composite elements. A case study assesses the influence of the adhesive stiffness on the behavior of a single element and its interaction with other members of the structural system. Based on the results, three different stiffness classes are introduced to support the selection process of the adhesives to be examined in further investigations. The experimental part of this work is initiated by a comprehensive characterization of seven shortlisted adhesives. The results enable a further differentiation of suitable materials. Two adhesives qualified as suitable for the main experiments. A silicone adhesive complements the test series to serve as a reference material to the current practice. In the next phase attention is drawn to the ageing stability and on the time-dependent material behavior of the adhesives under long-term loading. Small-scale specimens made from adhesively joint timber and glass pieces are exposed to different ageing scenarios which relate to the impacts typically encountered in façades. Beyond that, creep tests are carried out on small and large shear specimen. The latter provide extra benefit as they comprise long linear adhesive joints resembling virtually the situation in a real-size element. A specific long-term test rig was developed for this purpose comprising a loading unit with gas pressurized springs. Based on the results it can be concluded that joints with adhesives of high and intermediate stiffness enable an increase of characteristic failure loads and a significant reduction of deformation. With the stiffer joint near-surface rupture of timber fibers becomes the prevailing failure mechanism. The timber strength limits further loading of the adhesive joint. However, ageing and creep testing reveal also shortcomings of the adhesives. Their application can only be recommended if redundant compensation measures are taken or the joint is protected against critical environmental impacts. Appropriate solutions are proposed with the final recommendations of this work. Methods and assessment tools that have been developed and tested for this work offer the possibility of a more straight-forward evaluation of further promising adhesives and their use in load-bearing timber-glass composites.