A5

Arbeitsgruppe A | Stoffschluss

 
 
a5_spp1640

Untersuchung der Bildungsmechanismen der Fügezone beim Kollisionsschweißen

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, TU Darmstadt

 
 

Zusammenfassung:

Durch einen Hochgeschwindigkeitsaufprall unter definierten Bedingungen lässt sich eine stoffschlüssige Verbindung erzielen. Da hierbei kaum Wärme eingebracht wird und auch nicht erforderlich ist, sind mit diesem Prinzip selbst Verbindungen artungleicher Metalle wie Aluminium, Stahl oder Kupfer u.v.m. möglich. Der äußerst geringe Wärmeeintrag durch die plastische Deformation beim Aufprall ist auch der Grund dafür, dass keine negative Gefügeveränderung auftritt. In der Praxis angewandte Verfahren, die darauf basieren, sind das Sprengschweißen und das elektromagnetische Pulsschweißen.

Trotz der großen Prozessvorteile vor allem bei Mischverbindungen ist die Verbreitung noch äußerst gering. Ein Hauptgrund ist das fehlende Wissen um die zugrundeliegenden Mechanismen, weshalb die Auslegung einer Verbindung nach wie vor größtenteils empirisch erfolgt.

Das Ziel dieses Vorhabens ist daher, die wirksamen Mechanismen sowie deren Einflussfaktoren zu identifizieren. In der dritten Phase liegt das Augenmerk auf der Vorhersagbarkeit des Verfahrens. Die Projektarbeit stützt sich dabei auf drei Aufgabenbereiche:

 
 
Mechanischer Aufbau Versuchsstand
Mechanischer Aufbau Versuchsstand

Experimentelle Arbeiten werden an einem speziellen Versuchsstand durchgeführt, der die für eine erfolgreiche Verbindung benötigten Aufprallgeschwindigkeiten ab etwa 250m/s rein mechanisch erreichen kann. An jedem der beiden Rotoren befindet sich jeweils eine Probe an einem Ende. Sie laufen gleichsinnig, wodurch sich die Proben in der Mitte mit doppelter Geschwindigkeit treffen. Während der Projektlaufzeit wird der Versuchsstand hinsichtlich Robustheit, Genauigkeit und Geschwindigkeit kontinuierlich weiterentwickelt. Bei 5000U/min für beide Rotoren beträgt die Winkelabweichung bei der Kollision weniger als 0,1°. Die Kollision wird mit einer speziellen Kamera aufgenommen und ausgewertet.

Hochgeschwindigkeitsaufnahme vom Aufprall
Hochgeschwindigkeitsaufnahme vom Aufprall
 
 
REM Aufnahme der Fügezone
REM Aufnahme der Fügezone

Die gefügten Proben werden anschließend metallographisch untersucht. Für die Versuche kommen unterschiedliche Werkstoffe, Legierungen und Wärmebehandlungszustände sowie Oberflächenbehandlungen zum Einsatz. Beim Vergleich mit dem elektromagnetischen Pulsschweißen als Realprozess konnte gezeigt werden, dass die Fügezone eine nahezu identische Ausprägung besitzt.

 

Da nicht annährend alle Prozessgrößen während des Aufpralls messtechnisch erfasst werden können, kommt der numerischen Simulation eine große Bedeutung zu. Besonders wichtig ist hier das Materialmodell sowie die Kontaktdefinition. Mit der Hilfe der Simulation konnte beispielsweise der transiente Charakter des elektromagnetischen Pulsschweißens abgebildet und mit dem stationären Charakter des Versuchsstandes verglichen werden.

Numerische Simulation des Versuchsstandes
Numerische Simulation des Versuchsstandes
Numerische Simulation des elektromagnetischen Pulsschweißens
Numerische Simulation des elektromagnetischen Pulsschweißens
 

Das Projekt wird in enger Kooperation mit zwei weiteren Projekten des SPP durchgeführt:

Mit dem Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz (IWW, Projekt A8) besteht eine enge Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Werkstoffuntersuchung mit besonderem Augenmerk auf Dehnrateneffekte und die Ausprägung der Fügezone.

Am Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren der Uni Kassel (tff, Projekt A9) wird das elektromagnetische Pulsschweißen untersucht, die Ergebnisse dienen unter anderem dem Abgleich mit den Resultaten des Versuchsstandes am PtU.

 
 

Veröffentlichungen:

2019   
  Process boundaries of collision welding at low energies Groche, P.; Niessen, B.; Pabst, C.
In: Material Science and Engineering Technology, 2019 (akzeptiert)
  Weld Interface Characteristics of Copper in Collision Welding Niessen, B.; Groche, P.
In: Proceedings ESAFORM 2019, Vitoria-Gasteiz, Spanien, 8.-10.05. 2019 (akzeptiert)
  Hochgeschwindigkeitsfügen bei niedrigen Energien Niessen, B; Gerlitzky, C.; Groche, P.
In: Blechnet, 1, pp. 54-55, 2019
2018   
  Investigations on Shock Waves during Collision Welding Niessen, B.; Siegel M.; Groche P.
In: 8th International Conference on High Speed Forming,
Columbus, Ohio
  Proofs and Contradictions for Wave Formation Theories in Collision Welding Niessen, B., Franceschi, A., & Groche, P.
In: Key Engineering Materials, 767, pp. 447–455
  Identification of Process Parameters in Electromagnetic Pulse Welding and Their Utilisation to Expand the Process Window Pabst, C.; Groche, P.
In: International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, 6 (1)
2017   
  Process window acquisition for impact welding processes Groche, P.; Becker, M.; Pabst, C.
In: Materials & Design, 118, 286–293
2016   
  The influence of thermal and mechanical effects on the bond formation during impact welding Pabst, C.; Groche, P.
In: 7th International Conference on High Speed Forming, Dortmund
  Microstructural characterization of magnetic pulse welded aluminum/aluminum and aluminum/steel joints Sharafiev, S; Wagner, M.F.-X.; Pabst, C.; Groche, P.
In: 18. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz
2015   
  Numerical Simulation of Impact Welding Processes with LS-DYNA Pabst, C.; Groche, P.
In: 10th European LS-DYNA Conference, Würzburg
2014   
  Development of a novel test rig to investigate the fundamentals of impact welding Groche, P.; Wagner, M. F.-X.; Pabst, C.; Sharafiev, S.
In: Journal of Materials Processing Technology, 214 (214) pp. 1972–1994
  Electromagnetic Pulse Welding: Process Insights by High Speed Imaging and Numerical Simulation Pabst, C.; Groche, P.
In: 6th International Conference on High Speed Forming, Daejeon
  A novel method to investigate the principles of impact welding: Development and enhancement of a test rig, experimental and numerical results Pabst, C.; Sharafiev, S.; Groche, P.; Wagner, M. F.-X.
In: Advanced Materials Research, 966–967 pp. 500–509
 
 

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