Weight reduction, increased fuel economy, and increased safety of structures in transportation applications has led to much interest in lightweight higher strength structural aluminum alloys. Suitable joining techniques to create such structures with aluminum sheets are required. Generally, similar and dissimilar sheet metals can be joined by adhesive bonding, welding, and mechanical fastening. Difficulty of welding and long processing times for adhesive bonding make mechanical fastening a process of much interest for joining of high strength aluminum sheets. Among the different mechanical fastening techniques available in manufacturing, clinching is a common method of joining by forming in which a punch and die are used to form a geometrical interlock. However, the process introduces surface steps on both sides of the joined sheets where one side consists of a protrusion and the other a pit. Also, clinch joining, a well-accepted and widely used process for joining ductile sheet metals, is more challenging for high strength lower ductility aluminum sheets such as AA7075. The current work aims at studying clinch-ability of high strength lower ductility AA7075 aluminum sheets of different tempers by conventional as well as a new clinching technique called "die-less" clinching. A new tooling was designed in order to conduct die-less clinches. The results showed that room temperature clinching is possible for the softer tempers namely solution treated and annealed states. However, the peak aged sheets failed to form a successful joint. A novel electrical resistance heating technique (ERH) to provide ductility to the joined sheets was used to obtain die-less clinched joints in AA7075-T6. ERH technique provides a large range of heating temperatures from room temperature to 270°C for a current duration of 3 sec. The AA7075-T6 sheets showed a superior joining by using ERH. The joint showed a metallurgical locking mechanism in addition to the commonly available form locking mechanism. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Clinching is a common method of joining sheet metals by forming. A punch and die are used to form a permanent geometrical interlock. However, the process introduces surface steps on both sides of the joined sheets where one side consists of a protrusion and the other a pit. Clinch joining is a well-accepted and widely used process for joining ductile sheet metals. Joining of high strength lower ductility aluminum sheets such as AA7075 is more challenging. The current work aims at joining AA7075 aluminum sheets of different tempers by clinching using the conventional method as well as a new clinching technique called "die-less" clinching. The study includes a new tooling design in order to conduct die-less clinches. Also, a novel electrical resistance heating technique (ERH) to provide ductility to the joined sheets was used to obtain die-less clinched joints in the peak aged AA7075-T6. ERH technique provides a large range of heating temperatures from room temperature to 270°C for a current duration of 3 sec. The AA7075-T6 sheets showed a superior joining by using ERH.

Clinching is a joining process that is becoming more and more important in industry due to the increasing use of multimaterial designs. Despite the already widespread use of the process, there is still a need for research to understand the mechanisms and design of clinched joints. In contrast to the tool parameters, process and material disturbances have not yet been investigated to a relatively large extent. However, these also have a great influence on the properties and applicability of clinching. The effect of process disturbances on the clinched joint are investigated with numerical and experimental methods. The investigated process variations are the history of the sheets using the pre-hardening of the material, different sheet thicknesses, sheet arrangements and punch strokes. For the consideration of the material history, a specimen geometry for pre-stretching specimens in uniaxial tension is used, from which the pre-stretched secondary specimens are taken. A finite element model is set up for the numerical investigations. Suitable clinching tools are selected. With the simulation, selected process influences can be examined. The effort of the numerical investigations is considerably reduced with the help of a statistical experimental design according to Taguchi. To confirm the simulation results, experimental investigations of the clinch point geometry by using micrographs and the shear strength of the clinched joint are performed. The analysis of the influence of difference disturbance factors on the clinching process demonstrate the importance of the holistic view of the clinching process.

Im Vertrag wird die numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens präsentiert. Schwerpunkte bilden hierbei die Bestimmung der Materialdaten und die anschließende Implementierung in das Simulationsmodell sowie die Modellierung des Prozesses. Es wird auf numerische Besonderheiten, wie die Kontaktabbildung zwischen den Blechen und der Klebstoffschicht sowie auf die Trennung der Klebstoffschicht und die damit verbundene Bildung von Klebstofftaschen, eingegangen. Weiterhin werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die Hinterschnittausbildung zwischen den Blechen zu ermöglichen und hierdurch die Handhabungsfestigkeit der Hybridverbindung zu gewährleisten. Abschließend erfolgen die experimentelle Validierung ausgewählter Verfahrensparameter sowie die Bestimmung der mechanischen Verbindungskennwerte.

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.

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.