TY - CHAP A1 - Serafinski, Daniel A1 - Winkelmann, Ralf ED - Lampke, Thomas ED - Wagner, Guntram ED - Wagner, Martin Franz-Xaver T1 - Punktuelle Magnesium-Aluminium-Verbindungen T2 - Tagungsband zum 19. Werkstofftechnischen Kolloquium in Chemnitz 16.03.-17.03.2017, Chemnitz 2017 N2 - Leichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik. Aus diesem Grund wurde für die Herstellung punktueller Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten -begründet durch die Gitterstruktur - sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Die hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Dies allein genügt jedoch nicht, da die sehr gute Wärmeleitung des Fügewerkzeuges die zugeführte Energie sehr schnell wieder abführt. Somit ist zusätzlich eine Vorwärmung der Werkzeuge zwingend. Die thermischen Bedingungen wurden zunächst mit dem Ziel der Reduzierung des Versuchsaufwandes simuliert. Das Modell ist versuchstechnisch validiert. Die thermischen Bedingungen am Bauteil und am Werkzeug wurden mit dem Ziel der Einstellung hoher Verbindungsfestigkeiten variiert. Als Optimierungskriterium wurde die Scherzugfestigkeit definiert. Um die Erwärmung der beiden Werkstoffe sowie des Werkzeuges reproduzierbar zu gestalten, erwies sich eine Kombination von joulescher- und induktiver Erwärmung als sinnvoll. Die messtechnische Erfassung der Bauteiltemperatur erfolgte, um schlussendlich die zeitliche Wirkung der Induktorleistung bei definierter Position zum Bauteil als Kriterium der zugeführten thermischen Energie nutzen zu können. Eine Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bewegungsparameter führte zu reproduzierbaren hoch festen Verbindungen. KW - Aluminium KW - Magnesium KW - thermomechanisches Fügeverfahren KW - Clinchen Y1 - 2017 SN - 978-3-00-055705-7 SP - 217 EP - 224 PB - TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, Eigenverlag CY - Chemnitz ER - TY - GEN A1 - Serafinski, Daniel A1 - Winkelmann, Ralf T1 - Punktuelle Magnesium-Aluminium-Verbindungen T1 - Point Bonding of Magnesium – Aluminium Structures T2 - WOMAG : Kompetenz in Werkstoff und funktioneller Oberfläche N2 - Leichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik, weshalb zur Herstellung von punktuellen Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt wurde. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten aufgrund ihrer Gitterstruktur sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Dessen hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Da die sehr gute Wärmeleitung des Fügewerkzeugs die zugeführte Energie sehr schnell wieder abführt, ist zusätzlich eine Vorwärmung der Werkzeuge zwingend. Die thermischen Bedingungen wurden zunächst mit dem Ziel der Reduzierung des Versuchsaufwandes simuliert und das Modell versuchs¬technisch validiert. Die thermischen Bedingungen am Bauteil und am Werkzeug wurden mit dem Ziel der Einstellung hoher Verbindungsfestigkeiten variiert. Als Optimierungskriterium wurde die Scherzugfestigkeit definiert. Um die Erwärmung der beiden Werkstoffe sowie des Werkzeugs reproduzierbar zu gestalten, erwies sich eine Kombination von joulescher- und induktiver Erwärmung als sinnvoll. Die messtechnische Erfassung der Bauteiltemperatur erfolgte, um die zeitliche Wirkung der Induktorleistung bei definierter Position zum Bauteil als Kriterium der zugeführten thermischen Energie nutzen zu können. Eine Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bewegungs¬parameter führte zu reproduzierbaren hoch festen Verbindungen. N2 - Lightweight construction using mixed materials requires a viable means of bonding together the different materials used. The choice of bonding technology will be based on the actual materials in question and the desired bonding properties. The limited miscibility of aluminium and magnesium in their molten state presents technological problems in terms of thermal bonding of these two metals. For this reason, a thermo-mechanical procedure was developed for their spot joining. The technique is based on clinching and the appropriate thermal conditions for this were established such that acceptable spot bond strengths achieved. Whereas many aluminium alloys, thanks to their crystal structure, can readily be deformed and thus lend themselves well to the clinching process, the same is not true for magnesium. The hexagonal lattice structure of this metal requires sufficient heat treatment before the joining process. Because the forming tools themselves possess high thermal conductivity which could result in rapid cooling of the work, the forming tools themselves have to be pre-heated. The required thermal conditions were initially simulated in order to reduce the time needed for the research, the model for this being experimentally validated. The thermal conditions experienced by the component and the tooling were explored in order to find optimum conditions for maximum bond strength. The parameter for optimisation was defined as the shear strength. In order to ensure reproducibility of the heat-treatment regime for both the two metals and the tooling, both Joule heating and inductive heating were found to be best. Temperature measurement of the components was used in order to characterise the temperature-time profile as a function of induction loading for a given positioning of the component, as a criterion for following the energy input. Matching the tooling geometry with the movement parameters resulted in the reproducible formation of high-strength joints. KW - Clinchen KW - Magnesium KW - Aluminium KW - Vorwärmung Y1 - 2017 UR - http://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2017/04/WOMag_4_17_frei.pdf SN - 2195-5905 SN - 2195-5891 VL - 5 IS - 4 SP - 4 EP - 6 ER - TY - GEN A1 - Krüger, David A1 - Schütte, Philipp A1 - Winkelmann, Ralf T1 - Werkstoffe und Werkstoffkombinationen für das punktuelle Verbinden von Aluminium T1 - Materials and Material Combinations for Spot-Welding of Aluminium T2 - WOMAG : Kompetenz in Werkstoff und funktioneller Oberfläche N2 - Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium (Al) mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Durch die Auswahl eines Elektrodenwerkstoffs mit geringerer Affinität zu Aluminium ist zu erwarten, dass Diffusionsprozesse mit deren Beeinflussung der Elektrodenoberflächen und daraus folgender Änderung der Schweißpunkteigenschaften mit Nacharbeiten an der Elektrode vermeidbar sind. Zudem sind die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe sowie sichere und effektiv herzustellende Verbindungen zum Elektrodenwerkstoff Kupfer zu erfüllen. Unter diesen Prämissen und unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte wurden Untersuchungen an den Werkstoffen Grafit, Wolfram und Molybdän vorgenommen. Zusätzlich erfolgte die Überprüfung PVD-beschichteter Kupferelektroden. Mittels Langzeituntersuchungen sind Angaben zur Eignung der Werkstoffe realisiert. Eine sehr große Herausforderung betraf die Herstellung von Verbindungen zwischen den nicht beziehungsweise kaum mit Aluminium reagierenden Werkstoffen und dem Kupfer der Punktschweißelektroden. Das Kondensatorentladungsschweißen konnte hierfür qualifiziert werden. Es wurden die Parameter ermittelt, mit denen sichere Verbindungen innerhalb extrem kurzer Zeit hergestellt werden können. Im Gegensatz zum Löten oder Umgießen handelt es sich um einen sehr effektiven Prozess mit hohem Potenzial für die Massenfertigung. N2 - Creating spot welds at lightweight metals such as aluminium using conventional resistance spot welding, results in an intense reaction between the electrode metal and the aluminium itself. By selecting an electrode material with a lower affinity to aluminium, one might assume that the diffusion process involving the electrode surface, with the consequent effect on the properties of the spot weld, could be avoided by post-working at the weld site. In terms of thermal and electrical properties and the achieving of strong and effective bonding, copper is an ideal electrode metal candidate. Given these requirements and with process economics in mind, studies were carried out on materials including graphite, tungsten and molybdenum. Additional studies were carried out using PVD-coated copper electrodes. On the basis of long-term studies, the requirements for a suitable material were achieved. One of the most demanding tasks was creating a bond between a metal with a little affinity to aluminium and aluminium itself, but not the copper of the spot welding electrode. The use of capacitor discharge welding proved useful in this context. Parameters were established for creating strong spot welds in extremely short times. By contrast with soldering or other molten metal processes, this approach offers a satisfactory solution ideally-suited to the demands of mass production. KW - Aluminium KW - Wolfram KW - Molybdän KW - Punktschweißen Y1 - 2017 SN - 2195-5905 VL - 5 IS - 5 SP - 4 EP - 6 ER - TY - GEN A1 - Krüger, David A1 - Winkelmann, Ralf T1 - Punktuelles, thermo-mechanisches Fügen von Aluminiumbauteilen unter Berücksichtigung von Barriereschichten T1 - Punctual, thermo-mechanical joining of aluminum components in consideration of barrier layers T2 - WOMAG : Kompetenz in Werkstoff und funktioneller Oberfläche N2 - Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Adhäsions- und Diffusionsprozesse bewirken Veränderungen an der Elektrodenoberfläche und beeinflussen die Eigenschaften der Verbindung, sodass bereits nach wenigen Punkten Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Die Intensität der Reaktionen ist abhängig von der Polarität der Elektrode, dem Elektrodenwerkstoff, dem zu fügenden Aluminiumwerkstoff, den Fügeparametern und gegebenenfalls von vorgesehenen Barriereschichten. Untersucht wurden die Veränderungen infolge der Verbindungsherstellung an konventionellen Kupfer-Basis-Elektroden sowie die Wirkung von Barriereschichten. Die Nutzung von Barriereschichten erfordert eine Parameteranpassung, die in Vorversuchen durchgeführt wurde. Langzeituntersuchungen bestätigen eine sehr deutliche Erhöhung der Anzahl von Schweißpunkten bei der Existenz von Barriereschichten. Zu begründen ist dies durch die Beeinflussung der Kontaktierung zwischen Elektrode und dem zu fügenden Bauteil. N2 - The production of punctual connections on lightweight materials such as aluminum and magnesium using conventional resistance spot welding leads to very intense reactions between the electrode and the substrate material. Adhesion and diffusion processes cause changes at the electrode surface and influence the properties of the connection, so that a rework of the electrode becomes necessary after just a few points. The intensity of the reactions depends on the polarity of the electrode, the electrode material, the aluminum material to be joined, the joining parameters and, if applicable, the designated barrier layers. Changes due to the production of connections with conventional copper-based electrodes and the effect of barrier layers were examined. The use of barrier layers requires an adjustment of parameters which was conducted in preliminary experiments. Long-term studies confirm a very significant increase of the number of spot welds due to the existence of barrier layers. The reason for that is the influence of the contacting between electrode and the components to be joined. KW - Punktschweißen KW - Aluminium KW - Barriereschichten Y1 - 2018 SN - 2195-5905 VL - 7 IS - S. 5 SP - 4 ER -