Grundlegende Untersuchung über ein neues Schweißverfahren namens HFDB (Hybrid Friction Diffusion Bonding)

摘要

Wissenschaftliche und technologische Fragestellungen im Bereich des Fügensvon Werkstoffen in Transport- und Energieindustrie waren der Ausgangspunktfür die Entwicklung eines neuen Fügeverfahrens.Das Fügen vonungleichartigen Werkstoffen ist mit Herausforderungen behaftet.IntegraleStrukturen in Flugzeugen benötigen Fügeverfahren, die in Festigkeit undSchmelzpunkt unterschiedliche Metalle wie Titan als Rissstopper sowieAluminium als Rumpfschale verbinden können. Intermetallische Phasen der imSchmelzpunkt sowie Wärmeausdehungskoeffizienten differierenden Metalleerschweren dies.In Verbundstrukturen aus Aluminium und Kunststoffen mitSchichtdicken von wenigen zehntel Millimetern sollen dieAluminium-Schichten miteinander verbunden werden ohne den dazwischenliegenden Kunststoff zu zerstören.Das Verbinden ungleichartiger Werkstoffestößt bei herkömmlichen Fügeverfahren dann an seine Grenzen, wenn keineAdhäsion wie bei Klebungen, sondern eine Verbindung auf atomarer Ebeneverlangt wird. Soll dazu noch makroskopisches Durchmischen der Fügepartner,sowie eine zu starke Wärmeenergieeinbringung unterbleiben, scheiden diemeisten heutigen Fügeverfahren aus.Die Fragestellung des Verbindensungleichartiger Metalle führte im Rahmen der vorlieg¬enden Arbeit zurEntwicklung eines neuen reib-/diffusionsbasierten Fügeverfahren.Basierendauf vorliegenden Erfahrungswerten des Rührreibschweißverfahrens (FrictionStir Welding, FSW) wurden Reibwerkzeuge hergestellt und an dünnen Aluminium/ Aluminium Überlappverbindungen untersucht. Die ersten Vorversuche warenviel versprechend, eine Verbindung wurde erzielt. Da das Ziel für diesesneue Fügeverfahren ungleichartige Werkstoffe sowie Folienstärkeneinschloss, wurden weitere Werkstoffkombinationen untersucht. Im Zuge derGrund¬lagenuntersuchung wurden mit dem neuen Verfahren Fügeversuche mitgleichartigen und ungleichartigen Metallen (EN AW-Al Cu4Mg1; EN AW-AlZn5,5MgCu; EN AW-1050A; X5 CrNi 18 10; Ti6Al4V; MagnesiumknetlegierungAZ31) in Dicken von 0,1 mm bis 0,7 mm durchgeführt, sowie die Anwendung desneuen Verfahrens am Mock-Up eines Rohrbündelwärmeübertragerserprobt.Weiterhin wurde für die anvisierte Probenlänge eine Klammerungentworfen, die ein Beulen der dünnen Bleche während des Fügens verhindernsollte.Die Charakterisierung des neuen Fügeverfahren wurde mitmetallographischen sowie mechanischen Charakterisierungsverfahren (REM,µCT, Nanoindenter, EDX, Schäl-/Scherzugversuche, optische Mikroskopie)durchgeführt.Die Ergebnisse der EDX Untersuchungen zeigen, dass metallischeVerbindungen sowohl bei den Al / Al als auch den Al / Ti Proben vorliegen.Die vergleichenden Ergebnisse der mechanischen Charakterisierung mit demDiffusionsschweißverfahren (Diffusion Bonding, DB) zeigen ähnlicheSchälzugkräfte bei deutlich reduzierten Prozesstemperaturen und –zeiten fürdas neue Verfahren. Die µCT Untersuchungen weisen darauf hin, dass keinevertikale Durchmischung wie beim FSW vorliegt. Eine Gefügeuntersuchung inVerbindung mit einem analytischen Vergleich zum DB Verfahren zeigt, dassdas neue Verfahren diffusionsbasiert arbeitet.