A1

Arbeitsgruppe A | Stoffschluss

 
 
a1_spp1640

Gezielte Einstellung der Nahtausbildung beim Fügen durch Magnetpulsschweißen

Prof. Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya, TU Dortmund
Prof. Dr.-Ing. Eckhard Beyer, TU Dresden

 
 

Zusammenfassung:

Das Magnetpulsschweißen (MPW) ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, das auf der Kraftwirkung elektromagnetischer Felder beruht und besondere Vorteile bei der Erzeugung von Multimaterialfügeverbindungen bietet.

Dazu werden geladene Hochspannungskondensatoren impulsartig über eine Werkzeugspule entladen, wobei Ströme von einigen Hundert Kiloampere fließen, siehe Bild 1a. Die Änderung des Stromes ruft ein Magnetfeld in der Spulenumgebung hervor. Wird ein elektrischer Leiter in diesem Bereich positioniert, werden in ihm Wirbelströme induziert, die dem Spulenstrom entgegen gerichtet sind. Infolge dessen wirken starke Lorentzkräfte auf das Flyer-Bauteil, die es von der Spule weg beschleunigen (Bild 1b). Es kommt zu einer schlagartigen Rohrkompression mit Umformgeschwindigkeiten von über 200 Metern pro Sekunde. Trifft das Flyer-Werkstück mit dieser Geschwindigkeit auf einen metallischen Fügepartner, führt dies bei geeigneten Kollisionsbedingungen zur Ausbildung eines Metalldampfjets und schließlich zu einer stoffschlüssigen Fügeverbindung (Bild 1d). Charakteristisch für diese Art von Schweißverbindungen ist die wellenförmige Grenzschicht (Bild 1g), als Resultat der großen plastischen Deformationen. Außer der Erwärmung durch den elektrischen Widerstand und die innere Reibung beim Umformvorgang wird keine thermische Energie in die Fügezone eingebracht. Dadurch kann die intermetallische Phasenbildung auch bei Materialkombinationen mit stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen (wie bspw. Aluminium-Stahl) auf ein unkritisches Minimum reduziert werden.

Neben der Möglichkeit zur Herstellung von Mischverbindungen zeichnet sich das MPW durch extrem kurze Prozesszeiten im Bereich weniger Mikrosekunden und die verfahrensbedingt gute Überbrückbarkeit von Fügespalten aus. Dadurch ist das Verfahren attraktiv für das Fügen von toleranzbehafteten Bauteilen in der industriellen Massenproduktion.

 
 
Abbildung 1: Magnetpulsschweißen mittels Rohrkompression: a) Entladestromverlauf, b) Versuchsaufbau, c) radiale Flyergeschwindigkeit, d) Kollisionspunkt und Jetausbildung, e) Schertest der Verschweißung , f) makroskopischer Schliff durch eine magnetpulsgeschweißte Baugruppe, g) mikroskopischer Querschliff der Fügezone
Abbildung 1: Magnetpulsschweißen mittels Rohrkompression: a) Entladestromverlauf, b) Versuchsaufbau, c) radiale Flyergeschwindigkeit, d) Kollisionspunkt und Jetausbildung, e) Schertest der Verschweißung , f) makroskopischer Schliff durch eine magnetpulsgeschweißte Baugruppe, g) mikroskopischer Querschliff der Fügezone
 
 

Die Ziele des Forschungsprojekts sind:

  • die Erweiterung des Verständnisses der auftretenden Fügemechanismen unter
  • Berücksichtigung der Anlageneigenschaften,
  • die prozesssichere Herstellung homogener Schweißnähte entlang der gesamten
  • Fügezonenlänge,
  • die Fügepartnergestaltung und Spulenauslegung für optimale Schweißergebnisse sowie
  • die gezielte Aktivierung, Ausnutzung und Überwachung der Fügeverbindungsausbildung

Zur Erreichung dieser Ziele kooperieren das Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der TU Dortmund und das Institut für Fertigungstechnik (IF) der TU Dresden miteinander.

Durch die komplementäre Ausstattung der beiden Institute hinsichtlich Pulsgeneratoren mit hoher und niedriger Entladefrequenz wurde beispielsweise der Einfluss der Aufprallgeschwindigkeit beim MPW untersucht.

Die sich ergänzenden Expertisen der beiden Institute – Umformen und Fügen auf Seiten des IUL sowie Fügetechnik und Mikrostruktur auf Seiten des IF – führten außerdem zu zahlreichen Veröffentlichungen in folgenden Bereichen:

  • analytische Beschreibung des Umformverhaltens bei der elektromagnetischen
  • Rohrkompression,
  • erstmalige Untersuchung des Einflusses der Rohrposition auf die Schweißnahtausbildung,
  • direkte Anlagenvergleiche bei verschiedenen radialen Kollisionsgeschwindigkeiten vr und
  • Pulsfrequenzen
  • neue, praktikable Methoden zur Beurteilung von Rohr-Rohr-Fügeverbindungen,
  • Untersuchung des Einflusses industrierelevanter Beschichtungen auf die Schweißnahtqualität und Ansätze zur Minimierung des Energieeinsatzes (bis zu 50 %) beim MPW

Die experimentellen Fügeversuche mittels langlebiger Kompressionsspulen werden durch numerische Simulationen des Umform- und Kollisionsvorganges gestützt, die nachträgliche Bewertung des Fügeergebnisses erfolgt in mechanischen Tests und metallografischen Analysen. Dabei wird eng mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) kooperiert. Außerdem erfolgt während des Prozesses die Erfassung verschiedener Prozessparameter, u. a. werden die Umform- und Aufprallgeschwindigkeit direkt im Bereich der Fügezone mittels Photon Doppler Velocimetry (PDV) gemessen. Dieses System ist speziell für die Anforderungen der elektromagnetischen Umformung entwickelt worden. Durch die Anwendbarkeit dieses und anderer optischer Messsysteme auf allen verfügbaren Anlagen können die Pulsgeneratoren direkt miteinander verglichen werden, was die Modellvorstellungen bei Kollisionsschweißprozessen in hohem Maße bereichert.

 
 

Veröffentlichungen:

2017   
  Measurement of Collision Conditions in Magnetic Pulse Welding Processes Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Journal of Physical Science and Application 7 (4), pp. 1–10. DOI: 10.17265/2159-5348/2017.04.001, 2017
  Neue Möglichkeiten zur Prozessüberwachung und Effizienzsteigerung beim Magnetpulsschweißen Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Werkstoffwoche2017. DGM. Dresden, 28.09.2017
  Targeted Weld Seam Formation and Energy Reduction at Magnetic Pulse Welding (MPW) Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schettler, S.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: eBIS 2017 (5), pp. 91–102. DOI: 10.17729/ebis.2017.5/10, 2017
2016   
  Measurement techniques for magnetic pulse welding Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: I²FG Workshop on Impulse Metalworking 2016, Nantes, December 01-02, 2016
  Measurement and analysis technologies for magnetic pulse welding – Established methods and new strategies Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Advances in Manufacturing, 2016, DOI: 10.1007/s40436-016-0162-5
  Magnetic Pulse Welding of Dissimilar Metals in Tube-to-Tube Configuration Lueg-Althoff, J.; Bellmann, J.; Gies, S.; Schulze, S.; Tekkaya, A. E.; Beyer, E.
In: American Welding Society and Japan Welding Society: Trends in Welding Research, Proceedings of the 10th International Conference,
Tokyo, Japan, pp. 87-90, 2016
  Magnetic Pulse Welding: Joining Within Microseconds – High Strength Forever Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Kirchhoff, G.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: American Welding Society and Japan Welding Society: Trends in Welding Research, Proceedings of the 10th International Conference,
Tokyo, Japan, pp. 91-94, 2016
  Magnetic Pulse Welding of Tubes: Ensuring the Stability of the Inner Diameter Lueg-Althoff, J.; Bellmann, J.; Gies, S.; Schulze, S.; Tekkaya, A. E.; Beyer, E.
In: Proceedings of the 6th Euro-Asian Pulsed Power Conference, Estoril, Portugal, 2016
  Magnetic Pulse Welding: Solutions for Process Monitoring within Pulsed Magnetic Fields Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Schulze, S.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Proceedings of the 6th Euro-Asian Pulsed Power Conference, Estoril, Portugal, 2016
  Analytical approach for magnetic pulse welding of sheet connections Hahn, M.; Weddeling, C.; Lueg-Althoff, J.; Tekkaya, A. E.
In: Journal of Materials Processing Technology 230, pp. 131–142, 2016
  Influence of selected coatings on the welding result during magnetic pulse welding Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: International Symposium ‘Tailored Joining’,
Dresden, February 23–24, 2016
  Effects of Surface Coatings on the Joint Formation During
Magnetic Pulse Welding in Tube-to-Cylinder Configuration
Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Goebel, G.; Gies, S.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Tekkaya, A. E.; Kleiner, M. (Eds.), High Speed Forming 2016, Proceedings of the 7th International Conference,
Dortmund, Germany, pp. 279–288, 2016
  Workpiece positioning during magnetic pulse welding of aluminum-steel joints Lorenz, A.; Lueg-Althoff, J.; Bellmann, J.; Göbel, G.; Gies, S.; Weddeling, C.; Beyer, E.; Tekkaya, A. E.
In: Welding Journal 95 (3), pp. 101–109, 2016
  Influence of the Wall Thicknesses on the Joint Quality During Magnetic Pulse Welding in Tube-to-Tube Configuration Lueg-Althoff, J.; Schilling, B.; Bellmann, J.; Gies, S.; Schulze, S.; Tekkaya, A. E.; Beyer, E.
In: Tekkaya, A. E.; Kleiner, M. (Eds.), High Speed Forming 2016,
Proceedings of the 7th International Conference, Dortmund, Germany, pp. 259–268, 2016
2015   
  Influence of axial workpiece position in the coil for the electromagnetic pulse joining Bellmann, J.; Lueg-Althoff, J.; Lorenz, A.; Schulze, S.; Gies, S.; Tekkaya, A. E.; Beyer, E.
In: I²FG / PAK 343 Impulse Forming Workshop,
Dortmund, October 05–06, 2015
  Joining of aluminium tubes by magnetic pulse welding Lueg-Althoff, J.; Gies, S.; Weddeling, C.; Tekkaya, A. E.
In: European Aluminium Congress 2015, Düsseldorf, November 23–24, 2015
2014   
  Methods used in determining the optimal parameters in magnetic pulse welding Lorenz, A.; Göbel, G.
In: International Symposium ‘Tailored Joining’,
Dresden, February 27–28, 2014
  Influence of axial workpiece positioning during Magnetic Pulse Welding of Aluminum-Steel joints Lorenz, A.; Lueg-Althoff, J.; Göbel, G., Weddeling, C.; Beyer, E.; Tek-kaya, A. E.
In: Huh, H.; Tekkaya, A. E. (Eds.), High Speed Forming 2014, Proceedings of the 6th International Conference,
Daejeon, Korea, pp. 189–198, 2014
  Magnetic pulse welding by electromagnetic compression: Determination of the impact velocity Lueg-Althoff, J.; Lorenz, A.; Gies, S.; Weddeling, C.; Göbel, G.; Tekkaya, A. E.; Beyer, E.
In: Advanced Materials Research 966–967, pp. 489–499, 2014
 

zurück zu Arbeitsgruppen