Laserschweißen verbindet unterschiedliche Materialien

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Laserschweißen verbindet unterschiedliche Materialien
Auf einen Blick
SFB 1153, Teilprojekt A3:
Ultraschallunterstütztes
Laserstrahlschweißen
Gefördert von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft
(DFG)
Laserstrahltiefschweißen
von Mischverbindungen
Ultraschall beeinflusst das
Schmelzbad und minimiert die
Sprödigkeit der Schweißnaht
Diffusionsbarrieren und
Legierungen wirken
intermetallischer Phasenbildung
entgegen
08. 2015
LZH/IW/IDS | Wie lassen sich zwei Materialien so verbinden, dass sie
gemeinsam umgeformt werden können? Im Sonderforschungsbereich
„Tailored Forming“ werden dazu mehrere Ansätze untersucht. Eine
vielversprechende
Möglichkeit
ist
das
ultraschallunterstützte
Laserstrahlschweißen.
Fest, aber flexibel müssen zwei Materialien miteinander verbunden sein, damit
sie sich gemeinsam umformen lassen. Beim Schweißen entsteht jedoch durch
die Vermischung der beiden Materialien eine spröde Naht – der sogenannte
intermetallische Phasensaum – an der Fügestelle. Dieser hält der Umformung
oft nicht stand.
Um die Umformbarkeit der Schweißnaht zu verbessern, untersuchen die
Forscher im Teilprojekt A3 des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1153 das
ultraschallunterstützte Laserstrahlschweißen. Die Ultraschallanregung des
Schmelzbades soll den Fügeprozess beeinflussen und damit die
Umformbarkeit des Mischverbunds verbessern beziehungsweise überhaupt
erst ermöglichen.
Drei Partner aus dem Maschinenbau haben sich zur Bearbeitung dieser
komplexen Thematik zusammengefunden. Dabei übernimmt das Laser
Zentrum Hannover (LZH) die Aufgabe der Entwicklung des spezifischen
Tiefschweißprozesses, das Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS)
entwickelt eine Ultraschallanregung des Schmelzbades und das Institut für
Werkstoffkunde (IW) übernimmt den Part der werkstoffkundlichen Auslegung
des Schweißprozesses durch gezielte Werkstoffpaarungen und Simulation.
Laserstrahlschweißen als Fügeverfahren für Mischverbindungen
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Ziel: Bessere Umformbarkeit
hybrider
Materialkombinationen
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Das Laserstrahlschweißen eignet sich wegen seiner gezielten, lokalen
Wärmeeinbringung für die Herstellung der Hybridbauteile, die im
Sonderforschungsbereich entwickelt werden sollen. Durch die Verwendung
von Laserleistungen von bis zu 16 kW können sehr hohe Einschweißtiefen
erzielt werden – eine Voraussetzung zur vollflächigen Verbindung der
Probekörper, zum Beispiel von Antriebswellen für Fahrzeuge. Dadurch sind
künftig Fügegeometrien möglich, die durch klassische Fügeverfahren wie etwa
das Rotationsreibschweißen nicht erreichbar sind.
Ein weiterer Vorteil des Laserstrahlschweißens: Der Ort der
Energieeinkopplung lässt sich verschieben, sodass im Extremfall nur einer der
beiden Fügepartner aufgeschmolzen wird. Untersuchungen am LZH und am
Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) zeigen, dass mit
dieser Methode prinzipiell eine Umformung bei erhöhten Temperaturen bei
artgleichen Mischverbindungen – zum Beispiel aus zwei unterschiedlichen
Stählen – möglich ist. Bei Stahl-Aluminium-Verbindungen muss die
Umformbarkeit der Schweißnaht allerdings noch erheblich verbessert werden.
Bild 2 zeigt beispielhaft eine artfremde Mischverbindung.
Mit Ultraschall gegen die spröde Naht
Das Schmelzbad wird während des Schweißens durch das Einkoppeln von
Ultraschallwellen beeinflusst. Zur Ultraschallanregung werden am IDS
spezielle Ultraschallwandler entwickelt. Ausgelegt werden sie auf Basis von
numerischen Simulationen des Schwingverhaltens der Schallwandler in
Verbindung mit dem anzuregenden Werkstück und dem Schmelzbad. Zur
optimalen Einbringung des Ultraschalls in die Fügezone werden
unterschiedliche Sonotroden konzipiert und hergestellt, die die Schwingungen
verstärken. Außerdem dienen sie zur Anpassung des Schwingverhaltens bei
einer veränderten Werkstückgeometrie. Für die Ansteuerung der
Schallwandler wird eine Regelungselektronik erweitert, die speziell für den
Betrieb von Leistungsultraschallwandlern bei wechselnden Belastungen
entwickelt wurde.
Die Forscher gehen davon aus, dass die Einwirkung des Ultraschalls die
Schmelzbadströmung und Durchmischung beeinflusst – und damit auch den
spröden Phasensaum minimieren kann, der sich bei Stahl-AluminiumMischverbindungen bildet. Hierbei beruht die Idee darauf, dass das zum
Zeitpunkt des Fügens vorhandene Flüssigkeitsvolumen bestmöglich
durchmischt wird. So kann das aufgeschmolzene Aluminium durch die
Mischkristallbildung im Stahl untergebracht werden. Damit würde die Bildung
der intermetallischen Phasen reduziert. Sollten sich doch Sprödphasensäume
bilden, könnten diese durch den Ultraschall wieder aufgebrochen und abgelöst
werden. Im Bereich der Stahl-Stahl-Verbindungen soll mittels der
Ultraschallanregung die Kornstruktur beeinflusst werden, sodass in der
Schweißzone ein ungerichtetes und feinkörniges Gefüge entstehen kann.
Werkstoffkunde beim Fügen
Eine weitere Möglichkeit, Materialhybride herzustellen, ohne dass sich
intermetallische Phasen bilden, ist das Schweißlöten. Dabei liegt der
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Hauptenergieeintrag auf der Aluminiumseite, sodass die Stahloberfläche
lediglich benetzt und nicht selbst aufgeschmolzen werden muss. Beim
Schweißlöten werden Beschichtungen an der Fügestelle als Diffusionsbarriere
aufgebracht, um der intermetallischen Phasenbildung entgegen zu wirken. So
lässt sich die Phasenbildung beispielsweise mithilfe einer Titan-Schicht
unterdrücken, sofern diese unbeschädigt ist. Schädigungen in der Schicht
führen direkt zur Bildung der intermetallischen Phasen zwischen Eisen und
Aluminium (siehe Bild 4).
Legierungselemente in der Aluminiumlegierung sowie im Stahl können die
intermetallische Phasenbildung ebenfalls verringern. In Voruntersuchungen
haben die Forscher bereits gezeigt, dass der Siliziumanteil in der
Aluminiumlegierung die Form und die Ausdehnung des Phasensaums
beeinflussen kann (siehe Bild 5). Mithilfe von Werkstoffsimulationen wollen die
Forscher nun die möglichen höherkomponentigen Legierungssysteme
betrachten und deren Auswirkung auf die Enthalpie zur Bildung der
intermetallischen Phasen untersuchen. Mit dieser Methodik können
systematisch sinnvolle Phasensysteme ermittelt werden, welche durch
Legierungselemente eine entsprechend nutzbare Phasengebietsänderung
erfahren.
Viele Wege, ein Ziel: Umformbare Mischverbindungen
Vom Ultraschall-Laserschweißen über Beschichtungen bis zu speziellen
Legierungen kommen viele Möglichkeiten in Frage, um verschiedene
Materialien so miteinander zu verbinden, dass sie sich gemeinsam umformen
lassen. Die Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich werden diese in den
kommenden Jahren näher untersuchen und nehmen damit eine wichtige
Hürde auf dem Weg zu maßgeschneiderten Hybridbauteilen.
www.lzh.de
www.ids.uni-hannover.de
www.iw.uni-hannover.de
von Thomas Hassel, Sarah Nothdurft und Kai-Alexander Saalbach
E-Mail: [email protected]
Tel.: (0511) 762-9813
Webseite:
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