SPP1640 / A6: Bindemechanismen beim Rührreibschweißen von Mischverbindungen

Das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding, FSW) ist ein innovatives Pressschweißverfahren, welches auch das Fügen von artfremden Metallen erlaubt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die effektiv wirksamen Bindemechanismen bei rührreibgeschweißten Metall-Mischverbindungen identifiziert werden.

Ausgangssituation

Vor dem Hintergrund des effizienten Einsatzes von Ressourcen und Energie kommen in der Automobil- und in der Luftfahrtindustrie im Rahmen moderner Leichtbauweisen immer mehr Werkstoffe zum Einsatz, die speziell an die jeweiligen lokalen Bauteilanforderungen angepasst sind. Daraus resultieren oftmals Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren kaum oder gar nicht gefügt werden können. Eine Alternative bietet hier das Rührreibschweißen. Da die Fügepartner beim Rührreibschweißen nicht in die schmelzflüssige Phase überführt werden, ist dieses Verfahren besonders gut zum Fügen artfremder Werkstoffe geeignet.

Zielsetzung

Das Forschungsprojekt hat ein erweitertes Verständnis der Vorgänge an den Grenzflächen rührreibgeschweißter Metall-Mischverbindungen zum Ziel. Basierend auf experimentellen Untersuchungen sollen die Wirkzusammenhänge identifiziert und anschließend in Modelle überführt werden, die eine Vorhersage und gezielte Anpassung der Bindemechanismen und damit der Verbindungseigenschaften erlauben.

Vorgehen

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden zunächst Kombinationen aus Aluminium- und Titanwerkstoffen im Überlapp- und Stumpfstoß mit unterschiedlichen Schweißparametern gefügt. Im laufenden Betrieb werden umfangreiche Daten zum Prozess erhoben und anschließend ausgewertet. In Verbindung mit einer Analyse der Werkstoffe bzw. deren Gefüge vor und nach dem Fügen sowie der sich bildenden Strukturen an der Grenzfläche bis auf die Nanoebene erfolgt daraus die Identifikation der wirksamen Bindemechanismen.

Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden um Untersuchungen von Überlappstoß-Verbindungen von Aluminium und Kupfer ergänzt. Damit wurde eine allgemeine Erkenntnisbasis zu Bindemechanismen von rührreibgeschweißten Metall-Mischverbindungen geschaffen. Der Fokus lag dabei auf der Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen den Schweißparametern, der Werkstoffpaarung, den Prozessgrößen, der Art und Ausprägung der einzelnen wirksamen Bindemechanismen sowie der erreichten Festigkeit der Verbindung.

Dies bildet die Grundlage zur modellhaften Beschreibung der (Bindungs-) Vorgänge an der Grenzschicht. Dieses Wissen soll nun genutzt werden, um die wirksamen Bindemechanismen und damit die Verbindungseigenschaften vorherzusagen und gezielt beeinflussen zu können. So erlaubt die Implementierung einer Temperaturregelung für das FSW von Metall-Mischverbindungen einen vollständig stationären Prozessablauf. Dies erlaubt es, Rahmenbedingungen zu definieren, in denen ein prozesssicheres Fügen von Metall-Mischverbindungen mittels FSW möglich ist.

Ergebnisse 1. Phase

Eine zentrale Erkenntnis der ersten Projektphase war, dass sich eine metallische Zwischenschicht im Nanometerbereich an der Grenzfläche zwischen den Fügepartnern bei Aluminium-Titan-Mischverbindungen bildet. Diese konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nachgewiesen werden. Dies deutete auf eine dominant stoffschlüssige Verbindung hin.

Ergebnisse 2. Phase

In der zweiten Phase konnte für Aluminiun-Kupfer-Mischverbindungen ebenfalls eine mehrere hundert Nanometer dicke metallische Zwischenschicht detektiert werden. Neben dem auch hier dominanten Stoffschluss konnte eine Steigerung der Verbindungsfestigkeit bei einer geringfügigen Grenzflächendeformationen und damit (makroskopischem) Formschluss festgestellt werden. Basierend auf den Ergebnissen beider Förderphasen wurden diverse Modellierungsansätze verfolgt, um die beim FSW von Metall-Mischverbindungen auftretenden Wirkzusammenhänge nachvollzieh- und letztlich vorhersagbar zu machen.

Ausblick 3. Phase

Die dritte Phase soll primär für die Umsetzung eines prozesssicheren FSW und damit einer Steigerung der Reproduzierbarkeit der Verbindungseigenschaften genutzt werden. Hierzu wird zunächst ein temperaturgeregelter Fügeprozess etabliert. Desweiteren werden die bestehenden Modellierungsansätze weiter verfeinert und ggf. an die durch die Temperaturregelung geänderten Prozess-Randbedingungen angepasst. Dies führt zu einer erhöhten Vorhersagegenauigkeit der Modelle.

Danksagung

Unser Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die das Projekt "Bindemechanismen beim Rührreibschweißen von Mischverbindungen" im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1640 (SPP 1640) "Fügen durch plastische Deformation" als Teilprojekt A6 fördert.