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

 
 

Anwendung:

Das Magnetpulsschweißen (MPW) ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, das auf der Kraftwirkung elektromagnetischer Felder beruht und besondere Vorteile bei der Erzeugung von Multimaterialverbindungen bietet. Neben der Möglichkeit zur Herstellung von Mischverbindungen zeichnet sich das MPW durch extrem kurze Prozesszeiten im Bereich weniger Mikrosekunden aus.

 
 

Prinzip:

Geladene Hochspannungskondensatoren werden impulsartig über eine Werkzeugspule entladen, wobei Wech-selströme von einigen Hundert Kiloampère fließen, mit welchen ein magnetisches Wechselfeld einhergeht. Wird ein elektrischer Leiter in diesem Bereich positioniert, werden in ihm Wirbelströme induziert, die dem Spulenstrom entgegen gerichtet sind. Infolge dessen wirken abstoßende Lorentzkräfte zwischen der Spule und dem so genannten Flyer-Werkstück, siehe Bild 1b. Im Falle von Rohrbauteilen kommt es zu einer schlagartigen Kompression mit radialen Umformgeschwindigkeiten von über 200 m/s. Trifft das Flyer-Werkstück mit dieser Geschwindigkeit auf einen metallischen Fügepartner, führt dies bei einem geeigneten Kollisionswinkel zu einer stoffschlüssigen Fügeverbindung (Bild 1c). Bei der Kollision zwischen Flyer und Parent tritt ein charakteristischer Lichtblitz und ein Materialfluss in Schweißrichtung („Jet“) auf. Kennzeichnend für Aufprall-Schweißverbindungen mit hoher kinetischer Energie ist die wellenförmige Grenzschicht (Bild 1d), als Resultat der großen plastischen Deformationen. Außer der Erwärmung durch den elektrischen Widerstand und die innere Reibung beim Umform- und Kollisionsvorgang 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.

 
 
Abbildung 1: Magnetpulsschweißen mittels elektromagnetischer Rohrkompression. a) Beschreibung der Kollisionsbedingungen, b) Prozessprinzip, c) Aluminium-Stahl-Fügeverbindung, d) wellenförmige Grenzschicht, e) Opto-elektrische Erfassung des Lichtblitzes, f) Schweißuntergrenzen im Schweißparameterfenster
Abbildung 1: Magnetpulsschweißen mittels elektromagnetischer Rohrkompression. a) Beschreibung der Kollisionsbedingungen, b) Prozessprinzip, c) Aluminium-Stahl-Fügeverbindung, d) wellenförmige Grenzschicht, e) Opto-elektrische Erfassung des Lichtblitzes, f) Schweißuntergrenzen im Schweißparameterfenster
 
 

Forschungsaktivitäten:

Eine wichtige Voraussetzung für die gezielte Einstellung der Nahtausbildung ist die prozesssichere Erfassung der Kollisionsbedingungen, die sich durch die radialen und axialen Geschwindigkeitskomponenten sowie den Kollisionswinkel β beschreiben lassen, s. Bild 1 a und f. Zum Zweck der Ermittlung des Aufprallzeitpunktes ti und der radialen Aufprallgeschwindigkeit vi,r wurde in der vorangegangenen Förderperiode ein Messsystem entwickelt, welches auf der Erfassung des charakteristischen Lichtblitzes mittels Fototransistoren beruht, s. Bild 1e.

In der aktuellen Förderperiode wird dieses System weiterentwickelt, um auch die axiale Geschwindigkeitskomponente vc und den Kollisionswinkel β bestimmen zu können sowie Aussagen über die Schweißnahtqualität anhand des Verlaufs der Lichtintensität zu treffen. Damit wird die Entwicklung physikalischer Modelle des Schweißmechanimus beim MPW unterstützt. Der identifizierte Mechanismus soll anschließend mittels verschiedener Instrumente gezielt verstärkt werden, um das Spektrum fügbarer Geometrien und Werkstoffkombinationen zu erhöhen und den Energieeinsatz zu reduzieren. Darüber hinaus stehen die Untersuchung der Prozessrobustheit sowie die vereinfachte Analyse der Schweißnahtqualität mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden im Mittelpunkt.

Die Forschungsarbeiten werden gemeinsam am IUL der TU Dortmund und dem IF an der TU Dresden durchgeführt. Die beiden Forschungsstellen verfügen über komplementäre Expertisen in den Bereichen Umformtechnik, Fügetechnik und Mikrostruktur und decken zusammen ein breites Spektrum an Anlagen- und Messtechnik für das MPW ab. Unterstützt werden die Untersuchungen durch eine enge Kooperation mit dem Fraunhofer IWS Dresden.

 
 

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
 

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