A6

Arbeitsgruppe A | Stoffschluss

 
 
a6_spp1640

Bindemechanismen beim Rührreibschweißen von Mischverbindungen

Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh, TU München
Prof. Dr. rer. nat. Ferdinand Haider, Universität Augsburg

 
 

Ausgangssituation:

Vor dem Hintergrund des effizienten Einsatzes von Ressourcen und Energie kommen in der Automobil- und in der Luftfahrtindustrie im Rahmen moderner Leichtbauweisen immer mehr Werkstoffe zum Einsatz, die speziell an die jeweiligen lokalen Bauteilanforderungen angepasst sind. Daraus resultieren oftmals Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren kaum oder gar nicht gefügt werden können. Eine Alternative bietet hier das Rührreibschweißen. Da die Fügepartner beim Rührreibschweißen nicht in die schmelzflüssige Phase überführt werden, ist dieses Verfahren besonders gut zum Fügen artfremder Werkstoffe geeignet.

 
 

Zielsetzung:

Das Forschungsprojekt hat ein erweitertes Verständnis der Vorgänge an den Grenzflächen rührreibgeschweißter Metall-Mischverbindungen zum Ziel. Basierend auf experimentellen Untersuchungen sollen die Wirkzusammenhänge identifiziert und anschließend in Modelle überführt werden, die eine Vorhersage und gezielte Anpassung der Bindemechanismen und damit der Verbindungseigenschaften erlauben.

 
 

Vorgehensweise:

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden zunächst Kombinationen aus Aluminium- und Titanwerkstoffen im Überlapp- und Stumpfstoß mit unterschiedlichen Schweißparametern gefügt. Im laufenden Betrieb werden umfangreiche Daten zum Prozess erhoben und anschließend ausgewertet. In Verbindung mit einer Analyse der Werkstoffe bzw. deren Gefüge vor und nach dem Fügen sowie der sich bildenden Strukturen an der Grenzfläche bis auf die Nanoebene erfolgt daraus die Identifikation der wirksamen Bindemechanismen.

Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden um Untersuchungen von Überlappstoß-Verbindungen von Aluminium und Kupfer ergänzt. Damit wurde eine allgemeine Erkenntnisbasis zu Bindemechanismen von rührreibgeschweißten Metall-Mischverbindungen geschaffen. Der Fokus lag dabei auf der Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen den Schweißparametern, der Werkstoffpaarung, den Prozessgrößen, der Art und Ausprägung der einzelnen wirksamen Bindemechanismen sowie der erreichten Festigkeit der Verbindung.

Dies bildet die Grundlage zur modellhaften Beschreibung der (Bindungs-) Vorgänge an der Grenzschicht. Dieses Wissen soll nun genutzt werden, um die wirksamen Bindemechanismen und damit die Verbindungseigenschaften vorherzusagen und gezielt beeinflussen zu können. So erlaubt die Implementierung einer Temperaturregelung für das FSW von Metall-Mischverbindungen einen vollständig stationären Prozessablauf. Dies erlaubt es, Rahmenbedingungen zu definieren, in denen ein prozesssicheres Fügen von Metall-Mischverbindungen mittels FSW möglich ist.

 
Schematische Darstellung FSW-Prozess
Schematische Darstellung FSW-Prozess
 
 

Ergebnisse 1. Phase:

Eine zentrale Erkenntnis der ersten Projektphase war, dass sich eine metallische Zwischenschicht im Nanometerbereich an der Grenzfläche zwischen den Fügepartnern bei Aluminium-Titan-Mischverbindungen bildet. Diese konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nachgewiesen werden. Dies deutete auf eine dominant stoffschlüssige Verbindung hin.

 
(a) TEM Aufnahme der IMC-Schicht. (b) HRTEM der semikohärenten Al-AlCu Grenze. Marstatt et al.; In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2017. S. 012002.
(a) TEM Aufnahme der IMC-Schicht. (b) HRTEM der semikohärenten Al-AlCu Grenze. Marstatt et al.; In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2017. S. 012002.
 
 

Ergebnisse 2. Phase:

In der zweiten Phase konnte für Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen ebenfalls eine mehrere hundert Nanometer dicke intermetallische Zwischenschicht detektiert werden. Neben dem auch hier dominanten Stoffschluss konnte eine Steigerung der Verbindungsfestigkeit bei einer geringfügigen Grenzflächendeformationen und damit (makroskopischem) Formschluss festgestellt werden. Basierend auf den Ergebnissen beider Förderphasen wurden diverse Modellierungsansätze verfolgt, um die beim FSW von Metall-Mischverbindungen auftretenden Wirkzusammenhänge nachvollzieh- und letztlich vorhersagbar zu machen.

Regelsystem der Temperaturkontrolle; Krutzlinger et al.; In: Key Engineering Materials. Trans Tech Publications, 2018. S. 360-368.
Regelsystem der Temperaturkontrolle; Krutzlinger et al.; In: Key Engineering Materials. Trans Tech Publications, 2018. S. 360-368.
 
 

Ergebnisse und Ausblick 3. Phase :

Die dritte Phase wird primär für die Umsetzung eines prozesssicheren FSW und damit ei-ner Steigerung der Reproduzierbarkeit der Verbindungseigenschaften genutzt. Hierzu wurde zunächst ein Werkzeug mit integrierter Temperaturerfassung entwickelt und ein temperaturgeregelter Fügeprozess etabliert. Mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen zu diesen Versuchen wurde die Dicke der intermetallischen Grenzflächenschicht untersucht. Es konnte ein quantitativer Zusammenhang der Prozesstemperaturen zu den intermetallischen Schichtdicken über Interdiffusion gezeigt werden. Im weiteren Projektverlauf werden die bestehenden Modellierungsansätze weiter verfeinert und ggf. an die durch die Temperaturregelung geänderten Prozess-Randbedingungen angepasst. Dies führt zu einer erhöhten Vorhersagegenauigkeit der Modelle.

Arrheniusplot Prozesstemperatur gegen IMC-Schichtdicke. Marstatt et al. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018. S. 012017.
Arrheniusplot Prozesstemperatur gegen IMC-Schichtdicke. Marstatt et al. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018. S. 012017.
 

Veröffentlichungen:

2019   
  Friction Stir Welding of Dissimilar Metal Joints Zens, A.; Marstatt, R.; Haider, F.; Zaeh M.F.
In: Material Science and Engineering Technology 2019 (akzeptiert)
  Application of temperature-controlled friction stir welding process to Al-Cu joints with complex geometries Grabmann, S.; Zens, A.; Marstatt, R.; Haider, F.; Zaeh M.F.
AIP Conference Proceedings 2019 (akzeptiert)
  Gaussian process regression to predict the morphology of friction-stir-welded aluminum/copper lap joints Krutzlinger, M., Meltzer, E., Muehlegg, M., & Zaeh, M. F.
In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1-14. 2019
2018   
  Tailoring the thickness of interme-tallic interfacial nanolayers by tem-perature control of FSW in Al-Cu lap joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luder-schmid, J.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: Materials Science and Engineering Congress, Darmstadt, P07.1
  Intermetallic layers in temperature controlled Friction Stir Welding of dissimilar Al-Cu-joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Constanzi, G.; Mueller, J. F. J.; Haider, F.; Zaeh, M. F.
In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 373, S. 12017. DOI: 10.1088/1757-899X/373/1/012017.
  Temperature Control for Friction Stir Welding of Dissimilar Metal Joints and Influence on the Joint Properties Krutzlinger, M.; Marstatt, R.; Costanzi, G.; Bachmann, A.; Haider, F.; Zaeh, M. F.
In: Key Engineering Materials 767, 2018, 360-368
  Intermetallic layers in Temperature Controlled Friction Stir Welding of dissimilar Al-Cu-joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Constanzi, G.; Mueller, J. F. J.; Haider, F.; Zaeh, M. F.
20. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz
  Tailoring the thickness of intermetallic interfacial nanolayers by temperature control of FSW in Al-Cu lap joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: DPG Spring Meeting of the Condensed Matter Section, Berlin MM 30.1
2017   
  Formation of a diffusion-based intermetallic interface layer in friction stir welded dissimilar Al-Cu lap joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Zaeh, M. F.; Haider, F.
In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 181, S. 12002. DOI: 10.1088/1757-899X/181/1/012002.
  Interface Nanolayer Analysis in Al-Cu FSW Lap Joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: DPG Spring Meeting of the Condensed Matter Section, Dresden MM 18.3
  Formation of a diffusion-based intermetallic interface layer in friction stir welded dissimilar Al-Cu lap joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J. ; Zäh, M. F.; Haider, F.
19. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz
2016   
  Towards an understanding of joining mechanism of dissimilar Friction Stir Welds Krutzlinger, M.; Marstatt, R.; Butzhammer, A.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: Proceedings of the 11th International Friction Stir Welding Symposium,
17.–19.05.2016, Cambridge (UK), 2016
  Formation of interface layers in dissimilar Al-Cu FSW-Joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: DPG Spring Meeting of the Condensed Matter Section, Regensburg, MM 60.5, 2016
  Vorhersage und Steuerung der Verbindungsfestigkeit von rührreibgeschweißten Metall-Mischverbindungen – ein möglicher Ansatz Krutzlinger, M.; Marstatt, R.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: Proceedings zum 7. FSW-Workshop Rührreibschweißen und verwandte Verfahren, 2016
2015   
  Analysis of interface layers in dissimilar Al-Ti FSW-Joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Luderschmid, J.; Bartel R.; Zäh, M. F.; Haider, F.
In: DPG Spring Meeting of the Condensed Matter Section, Berlin, MM 34.3, 2015
  Bindemechanismen beim Rührreibschweißen von Aluminium-Titan-Mischverbindungen Krutzlinger, M.; Marstatt, R.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: 21. Erfahrungsaustausch Reibschweißen, 10.03.2015, München, 2015
2014   
  Formation of Joining Mechanisms in Friction Stir Welded Dissimilar Al-Ti Lap Joints Krutzlinger, M.; Marstatt, R.; Suenger, S.; Luderschmid, J.; Zäh, M. F.; Haider, F.
In: Advanced Materials Research, 966–967, pp. 510–520, 2014
  Structural analysis of dissimilar Al-Ti FSW joints Marstatt, R.; Krutzlinger, M.; Gnedel, M.; Haider, F.; Zäh, M. F.
In: DPG Spring Meeting of the Condensed Matter Section, Dresden, MM 38.6, 2014
 
 

zurück zu Arbeitsgruppen