Niessen Benedikt Untersuchung der Bildungsmechanismen der Fügezone beim Kollisionsschweißen

Untersuchung der Bildungsmechanismen der Fügezone beim Kollisionsschweißen

 

Motivation

Werkstoffleichtbau und belastungsangepasste Konstruktionen verlangen oftmals die Verbindung artfremder Metalle, als Beispiel sei der Aluminium-Stahl Mischbau im Fahrzeugbereich genannt. Neben konventionellen form- oder kraftschlüssigen Verbünden sind auch stoffschlüssige Verbindungen möglich. Hier ist insbesondere das Kollisionsschweißen hervorzuheben, dessen Prinzip auf dem definierten Aufprall zweier Fügepartner unter hoher Normalgeschwindigkeit (über 200 m/s) beruht. Es existiert keine Wärmeeinflusszone und somit keine negative Beeinflussung des Werkstoffgefüges. Die Fügezone beinhaltet kaum intermetallische Phasen und besitzt daher eine hohe (Dauer-)Festigkeit. Während der Kollision werden zunächst Oxidschichten und Verschmutzungen durch die plastische Deformation entfernt, bevor die hoch reaktiven Oberflächen unter dem enormen Druck des Aufpralls so nah zusammengebracht werden, dass sich eine metallische Bindung ausbildet. Dieses spezielle Bindungsprinzip findet beim Sprengschweißen und beim elektromagnetischen Pulsschweißen seine Anwendung. Letzteres besitzt eine sehr kurze Taktzeit, ist ungefährlich und durch verfügbare, leistungsfähige Anlagen für die Massenproduktion geeignet.

[1] Iteration zwischen Experimenten am Versuchsstand (links), deren Beobachtung (rechts oben) sowie deren numerische Simulation (rechts unten)
[1] Iteration zwischen Experimenten am Versuchsstand (links), deren Beobachtung (rechts oben) sowie deren numerische Simulation (rechts unten)

Zielsetzung

Einer breiten Anwendung steht jedoch das nach wie vor lückenhafte Prozessverständnis entgegen, denn sowohl das Sprengschweißen wie auch das elektromagnetische Pulsschweißen weisen Nachteile bezüglich der Beobachtbarkeit auf. Ziel der Arbeit ist es daher, den Prozess vorhersagbar zu machen, indem die relevanten Mechanismen und Prozessgrößen identifiziert werden. Diese Erkenntnisse werden dann in numerischen Simulationen genutzt, die bei beliebiger Geometrie anwendbar sind.

[2] Ungeätztes Schliffbild der Fügezone
[2] Ungeätztes Schliffbild der Fügezone

Lösungsweg

Am PtU wurde ein neuartiger Versuchsstand entwickelt, der eine einfache Untersuchung der Prozessgrundlagen durch gezielte Parametervariation erlaubt. Die Aufprallgeschwindigkeit wird hier auf rein mechanischem Wege durch drehende Rotoren erzeugt, an deren äußerem Ende sich jeweils eine Fügeprobe befindet. Der Fügeprozess wird mit einer speziellen Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt, um die genauen Vorgänge sichtbar zu machen. Die metallographische Auswertung der Proben wird an der TU Chemnitz durchgeführt. Im Abgleich mit der numerischen Simulation soll so das Prozessverständnis für eine zukünftig sichere Auslegung gewonnen werden.

 

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).