Refine
Document Type
Keywords
- Auftragschweißen (8)
- Verschleißschutz (7)
- Korrosionsschutz (5)
- Aluminium (4)
- Beschichtungen (3)
- Clinchen (3)
- Flüssigkeitsstrahllöten (3)
- Metall-Matrix-Composite (3)
- Wolframschmelzkarbid (3)
- Aluminium-Basis-Schweißzusatzwerkstoff (2)
Institute
- FG Fertigungstechnik (42)
BTU
Im Bereich des Verschleiß- und Korrosionsschutzes durch Auftragschweißen werden verschiedene Schweißverfahren eingesetzt. Dazu zählen technologisch weniger anspruchsvolle Anwendungen wie das Acetylen-Sauerstoff-Schweißen oder das E-Hand-Schweißen mit Stabelektroden, über klassische Verfahren wie das MIG/MAG- oder WIG-Schweißen bis hin zu jüngeren Verfahren wie dem Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder dem Laser-Auftragschweißen. Allen Verfahren ist gemein, dass die charakteristischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die erzeugte Schichtqualität, die Abschmelzleistung oder die Wirtschaftlichkeit, erheblich von den einzusetzenden Schweißzusätzen in Form von Stäben, Schnüren, Füll- und Massivdrähten oder Metall- und Mischpulvern abhängen. Anhand der europäischen Norm EN 14700 wird auf die Besonderheiten bei der Auswahl der Schweißzusätze und deren Merkmale aus industrieller Sicht eingegangen.
Das Lichtbogen-Draht-Spritzen mit Zink (Zn)-Basis-Werkstoffen ist eine gängige Technologie zur Herstellung korrosionsbeständiger Beschichtungen. Die hergestellten Schichten haben sich bei einer Vielzahl moderater korrosiver Beanspruchungen bewährt. Weniger positiv wird die Technologie hinsichtlich der Overspray-Verluste und der Belastung der Ausführenden sowie der Umwelt durch Zink-Rauch beurteilt. Um diese Nachteile zu reduzieren und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtungen zu erhöhen, wurden das Flüssigkeitsspritzen entwickelt und neue Werkstoffe qualifiziert. Es galt, eine geeignete Apparatur zu konzipieren, zu konstruieren, zu fertigen und zu erproben. Die Prozesstemperatur war unterhalb der Sublimationstemperatur des Zusatzwerkstoffes einzustellen. Es wurden Spritzparameter bestimmt, die zu hoch duktilen, sehr dichten und korrosionsbeständigen Schichten führten. Die Overspray-Verluste liegen deutlich unter 20 % und die Emission von Zink-Rauch ist extrem gering. Dieses Verfahren bietet sehr gute Voraussetzungen dafür, auch nicht zu Drähten verarbeitbare Werkstoffe für die Herstellung gespritzter Schichten nutzen zu können. Somit wird die Palette spritzbarer Werkstoffe deutlich erweitert und den Forderungen nach höherer Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung besser entsprochen.
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.
Die konventionelle Einteilung von Beschichtungen erfolgt nach dem für die Herstellung primär berücksichtigten Element. So sind beispielsweise Eisen(Fe)-, Nickel(Ni)- oder Cobalt(Co)-Basis-Beschichtungen als Verschleißschutz gegen abrasiv-erosive Belastungen bekannt. Um die gewünschten Beschichtungs-eigenschaften zu erzielen, werden die Hauptlegierungselemente durch Zusätze verstärkt. Für das Ziel, einen hohen Verschleißwiderstand zu erzeugen, werden z.B. Zusätze zur Bildung von Karbiden, Boriden bzw. Siliziden zugegeben. In der Beschichtungstechnik bisher weniger bekannte Konfigurationen sind die Hochentropielegierungen (HEA). Es werden fünf oder mehr Elemente zu einer äquimolaren, komplexen Legierung zusammengefasst. Das begrenzte Wissen über die Herstellung und die Eigenschaften derartiger Beschichtungen war Anlass dafür, Untersuchungen durchzuführen. Die Herstellung geeigneter Schweißzusatzwerkstoffe und deren Verarbeitung im Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess sind gelungen. Um die Eigenschaften der hergestellten Beschichtungen zu bewerten, erfolgten vergleichende Verschleißuntersuchungen. Als Basis dienten konventionell hergestellte, hoch Vanadium-haltige Fe-Basis-Beschichtungen. Ergänzend zu konventionellen Verschleißprüfungen wurden Messungen mit einem neu entwickelten Strahlverschleißprüfstand durchgeführt. Mit ihm gelingt es, z.B. die praktischen Beanspruchungen an Industriemessern sehr gut zu beurteilen. Die derzeit bekannten Vor- und Nachteile der auftraggeschweißten HEA-Beschichtungen werden zusammenfassend vorgestellt.
Hoch verschleißbeständige Schichten werden bevorzugt als eine Kombination aus metallischer Matrix mit eingelagerten Hartstoffen (MMC) hergestellt. Die Hartstoffe (HS) bewirken in diesen Schichten den primären Verschleißschutz. Sie werden abhängig von den Eigenschaften des angreifenden Abrasivs insbesondere deren Geometrie gewählt. Begründet durch die hohe Härte und Zähigkeit des Wolframkarbids nimmt es innerhalb der für die Herstellung von Beschichtungen bekannten Hartstoffe eine besondere Rolle ein. Diesen technisch sehr interessanten Eigenschaften stehen ein hohes Versorgungsrisiko sowie eine hohe ökonomische Bedeutung entgegen. Die Verfügbarkeit sowie die sehr deutlichen Preisschwankungen waren Anlass für Überlegungen und Untersuchungen mit dem Ziel, Alternativen zu schaffen. Die Eigenschaften Härte und Zähigkeit können von mehreren nicht metallischen Hartstoffen erreicht werden. Diese weisen jedoch zwei wesentliche, ihrer Nutzung als Zusatzwerkstoff für das Auf-tragschweißen negative Eigenschaften auf:
• Nicht metallische Hartstoffe sind sehr leicht und schwimmen daher auf dem Schmelzbad auf.
• Der Anteil des kovalenten bzw. heteropolaren Bindungscharakters der benutzten Hartstoffe ist sehr hoch, sodass Reaktionen mit metallischen Matrices als schwierig einzuschätzen sind.
Diese Aufgaben galt es zu lösen. Es wurde eine Technologie entwickelt, mit deren Hilfe die leichten nicht metallischen Hartstoffe in das Schmelzbad eingebracht werden und dort mit der metallischen Matrix reagieren. Dieses Verfahren wird als Pulverstrahl-Plasmalichtbogen-Schweißen bezeichnet. Die durchgeführten Verschleißuntersuchungen bestätigen, dass die mit nicht metallischen Hartstoffen verstärkten MMC-Beschichtungen eine Alternative zu wolframkarbidhaltigen Beschichtungen sind.
Die tribologischen Merkmale der durch Auftragschweißen hergestellten Beschichtungen ergeben sich aus den Eigenschaften der Grund- und Zusatzwerkstoffe, den Beschichtungsparametern sowie deren Wechselwirkungen. Veränderungen dieser Parameter werden zwangsläufig Veränderungen der tribologischen Merkmale verursachen. Diese sind gut durch vergleichend durchgeführte Verschleißprüfungen zu beurteilen, wobei Ergebnisse wie die Verschleißrate streng genommen nur für die beurteilte Beanspruchungssituation gelten. Metallografische Untersuchungen sollen helfen, Erklärungen für die registrierten Verschleißraten einschließlich deren Veränderungen zu finden. Sie sollten daher ebenfalls vergleichbare Angaben liefern. Bei Metall-Matrix-Compositen (MMC) können verschiedene Kriterien (z. B. Auflösung der Hartstoffe, Struktur der Auflösung, Einbettung, Saum des Hartstoffs, sich bildende neue Gefüge und deren Eigenschaften) genutzt werden, um tribologische Merkmale zu quantifizieren. Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist es, einen Beitrag zur Objektivierung von metallografischen Untersuchungen zu liefern. Es sollen im Zusammenwirken von klassischer Metallografie, Bildanalyse und Verschleißuntersuchungen Erklärungen für die sich aus beschichtungstechnischen Veränderungen ergebenden Verschleißwerte abgeleitet werden. Hierfür ist eine qualitativ hochwertige Bildanalyse erforderlich. In diesem Beitrag werden die entwickelten Verfahren zur Klassifizierung von bildanalytischen Merkmalen beschrieben, deren Grenzen diskutiert, aber auch Lösungen und Alternativen beschrieben. Es werden Ergebnisse der Verschleißuntersuchung mit denen der Bildanalyse ergänzt.
Bauteile werden häufig mit Beschichtungen versehen, um einen wirtschaftlichen Betrieb von Geräten und Anlagen zu ermöglichen beziehungsweise deutlich zu verbessern. Die Beschichtung übernimmt die Aufgabe, äußeren Beanspruchungen zu widerstehen. Eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung kommt dem Korrosions- und Verschleißschutz zu. Die hervorragenden Eigenschaften von Stählen können durch die Berücksichtigung von Beschichtungen deutlich länger genutzt werden. Die Beschichtungen sollen ausreichend haften und den äußeren Einflüssen möglichst solange widerstehen, bis eine Aussonderung der beschichteten Bauteile beziehungsweise der Anlage vorgesehen ist. Der Beschichtungsprozess erfordert drei technologische Schritte, die Substratvorbehandlung, die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes und die Beschichtungsherstellung. Für den Korrosions- und Verschleißschutz kommt den metallischen Beschichtungen, welche durch die Verfahren des Auftragschweißens beziehungsweise des Spritzens hergestellt werden, eine besondere Bedeutung zu. Dies ist zurückzuführen auf den erzielten hohen Mechanisierungsgrad bei der Beschichtungsherstellung, die hervorragende Recyclingfähigkeit und eine hohe Nachhaltigkeit. Bei abrasiver Verschleißbeanspruchung müssen Metalle durch Hartstoffe verstärkt werden. Diese können sich aus der Schmelze herausbilden oder separat zugeführt werden. Für besonders schwierige Situationen werden auch Hartstoffe mit hoher Bildungsenthalpie berücksichtigt. Dies allerdings führt zu Bindungsproblemen. Technisch-technologische Lösungen für diese Probleme wurden beziehungsweise werden derzeit erarbeitet. Kenntnisse zu den Bindungsmechanismen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung von neuen hoch abrasionsbeständigen Schichtsystemen. Die große wirtschaftliche Bedeutung bergründet die Fokussierung der Ausführungen auf Beschichtungen, die mittels Auftragschweißen hergestellt werden.
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.
Das Automobil der Zukunft muss die wachsenden gesellschaftlichen Erwartungen im Hinblick auf Energieeffizienz, Kraftstoffverbrauch, Klimaschutz, Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit erfüllen. Dem Leichtbau kommt dabei eine besondere Rolle zu. Neuere Entwicklungen gestatten es, dem Endanwender – der Mobilität produzierenden Industrie – bereits mit vorgefertigten Leichtbauverbundwerkstoffen, den Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen, zu arbeiten. Diese neuen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe intelligent zu nutzen, erfordert geeignete Fügetechnologien. Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung einer neuen Fügetechnologie zur Herstellung von Karosseriekomponenten mit Stahl/Kunststoff/Stahl-Verbundwerkstoffen und verschiedenen Werkstoffen durch den Einsatz von thermischer Energie in Form nicht übertragener Lichtbögen und der Laserstrahlung. Angestrebt wird die Herstellung von metallischen, dichten linienförmigen Verbindungen zwischen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen und verzinkten Stählen bei Fügegeschwindigkeiten bis 4m/min mit folgenden Eigenschaften: Zugfestigkeiten > 100 MPa, keine Delamination des Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundes sowie eine gleichmäßige konkave Nahtgeometrie. Eine Delamination des Polymers infolge der Verbindungsherstellung ist zu vermeiden. Es sollen mit der Nutzung von Lichtbogenlöt- und Laserprozessen die Vorteile dieser Technologie, wie die problemlose Integration in die Roboterfertigung (hoher Automatisierungsgrad), nur einseitige Zugänglichkeit (gegenüber Clinchen oder Stanznieten), spalt- und positionstolerant (Erstarrungsbedingungen) sowie keine aufwendigen Vorbehandlung und längeres Fixieren (gegenüber Kleben) erhalten bleiben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Herstellung metallischer dichter artgleicher Verbindungen zu Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen mit extrem dünnen Einzelblechlagen das Flüssigkeitsstrahllöten entwickelt. Erforderlich sind eine Verflüssigung des Lotzusatzwerkstoffes, die Aktivierung der Fügestelle sowie die präzise Einhaltung eines Temperaturregimes, um delaminationsfreie Fügungen herzustellen. Die Nutzung der Induktion ist eine Möglichkeit, den Zusatzwerkstoff zu verflüssigen. Um die angestrebten hohen Lötgeschwindigkeiten von ca. 4 m/min zu erzielen, bedarf es einer sicheren Aktivierung der Fügestelle. Die Laserstrahlung ist hierfür geeignet. Neben der Zielstellung, bei hohen Fügegeschwindigkeiten delaminationsfreie Verbindungen herzustellen, waren als Randbedingung Verbindungsfestigkeiten definiert, die deutlich über denen von Klebungen liegen. Dies konnte sicher erreicht werden. Weiterhin wurde eine konkave Nahtgeometrie erzielt.
Das entwickelte Flüssigkeitsstrahllöten ist geeignet, um Verbindungen zu extrem dünnen Bauteilen herzustellen. Delaminationen des Stahl-Kunststoff-Verbundes sind vermeidbar. Die Festigkeit der Verbindung liegt bei ca. 100 MPa. Weiterhin wurden zur Charakterisierung der hergestellten Verbindungen korrosive und metallografische Prüfungen herangezogen. Alle Untersuchungsergebnisse wurden in dieser Arbeit zusammengefasst.
Flachdrähte werden in der Schweißtechnik häufig mit dem Ziel eingesetzt, die Fügegeschwindigkeit zu erhöhen. Demgegenüber sind erhebliche Aufwendungen bzgl. der Förderung dieser Drähte zu registrieren. Es galt, bei der realisierten Löttechnologieentwicklung den Vorteil der hohen Geschwindigkeit zu nutzen und den Nachteil, die Förderprobleme, zu korrigieren.
Mittels 2-dimensionaler Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sowie hoch auflösender U-I-t-Messungen werden deutliche Veränderungen der Struktur des Lichtbogens beim Übergang von Rund- zu Flachdrähten nachgewiesen. Diese werden ursächlich für die hohen einstellbaren Fügegeschwindigkeiten (ca. 3 m/min) interpretiert. Parameterstudien zum Löten mit Al-Basis-Flachdrähten komplettieren diese Angaben. Es werden Kennpunkte für die Definition der Maschinenkennlinie vorgestellt. Die hergestellten Lötverbindungen sind metallografisch beurteilt und ihre mechanischen Eigenschaften ermittelt worden. Ein Schwerpunkt der durchgeführten Arbeiten fokussiert auf die Anwendbarkeit des flachen Drahtes für die Herstellung von Bördelnähten mit möglichst kleinem Öffnungswinkel und großer Anbindungsfläche. Als Randbedingung war eine konkave Nahtgeometrie, mit dem Ziel Nacharbeiten zu reduzieren, definiert.
Angaben zu Toleranzen und zum Auftreten von Spritzern sind erarbeitet. Es liegen Ergebnisse für die Herstellung von St-St-Verbindungen vor.
Die Prozessstabilität konnte durch die Nutzung von Runddrähten, welche örtlich unmittelbar vor dem Lichtbogen zu Flachdrähten umgeformt wurden, sowie durch die Anpassung der Energieübertragung - der Stromkontaktdüse - erzielt werden. Es wird ein neues Drahtvorschubsystem vorgestellt.
Auf Grundlage chemisch-metallurgischer Untersuchungen sowie technologischer Entwicklungen wurde ein Aluminium-Basis-Schweißzusatzwerkstoff mit dem Ziel entwickelt, ihn für die Herstellung von Stahl-Stahl-Verbindungen zu nutzen. Gegenüber der Anwendung konventioneller Kupfer-Basis-Lote ergeben sich deutlich geringere Fügetemperaturen und damit Vorteile hinsichtlich der Bauteilgeometrie und dem Verzug. Hinzu kommt eine deutlich geringere Masse in der Fügezone, womit die Ambitionen nach Leichtbau unterstützt werden. Die in der Fügezone zu erwartenden spröden Phasen, infolge der Kontaktierung des flüssigen Aluminium-Zusatzwerkstoffs mit dem Stahlteil, sind durch die Anwendung geregelter Kurzlichtbogenprozesse in einer Kombination mit der Wechselstromtechnologie zu begrenzen. Die Lötparameter sind für die üblichen Blechdicken bis 1,5 mm und die üblichen Beschichtungsvarianten ermittelt. Es werden Ergebnisse zur Spaltüberbrückbarkeit vorgestellt. Die Lötgeschwindigkeiten sind abhängig von den gewünschten Verbindungseigenschaften und liegen im Bereich von 0,30 m/min bis 0,9 m/min. Eine teilmechanisierte Verbindungsherstellung ist zu empfehlen. Die Untersuchungen zur Anwendung des entwickelten Zusatzwerkstoffs sind komplettiert durch die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Verbindungen sowie von Mischverbindungen Aluminium-Stahl. Die Beurteilung der neuentwickelten Legierung für die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Schweißverbindungen erfolgt vergleichend zu konventionell am Markt erhältlichen Qualitäten, wie dem AlSi5(A) und dem AlMg4,5Mn(A). Als Beurteilungskriterien fungieren neben der Prozessstabilität auch die einstellbaren mechanischen Verbindungseigenschaften. Besondere Aufmerksamkeit kommt der schlagartigen Belastung von Verbindungen zu. Unter
Anwendung von geeigneten technologischen Parametern eignet sich die Aluminium-Basis-Legierung für die Herstellung von Mischverbindungen Aluminium-Stahl, wobei Scherzugfestigkeiten bis etwa 200 MPa gemessen werden.
Flüssigkeitsstrahllöten - ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen an extrem dünnen Bauteilen
(2016)
Das Automobil der Zukunft muss die wachsenden gesellschaftlichen Erwartungen im Hinblick auf Energieeffizienz, Kraftstoffverbrauch, Klimaschutz, Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit erfüllen. Dem Leichtbau kommt dabei eine besondere Rolle zu. Neuere Entwicklungen gestatten es, dem Endanwender – der Mobilität produzierenden Industrie – bereits mit vorgefertigten Leichtbauverbundwerkstoffen, den Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen, zu arbeiten. Diese neuen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe intelligent zu nutzen, erfordert geeignete Fügetechnologien. Das tragfähige Verbinden von Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen unter Beibehaltung des Multimaterialkonzeptes wird zum zentralen Baustein der Realisierung von Leichtbau. Ziel des Beitrages ist es, eine neuartige, effiziente Fügetechnologie zur Herstellung von Karosseriekomponenten mit Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen und konventionellen Stählen durch den Einsatz thermischer Energie in Form eines metallischen Flüssigkeitsstrahles vorzustellen.