Ultraschallschweißen innovativer Leichtmetall-Mischverbunde:Charakterisierung des Fügeprozesses, Untersuchung der Bindungsvorgänge und der mechanischen Eigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ultraschalltorsionsschweißverfahren wurde grundlagenorientiert an Reinstaluminium Al4N und Reinsttitan cp-Ti grade 1 (ASTM) untersucht. Hierfür wurden neben Al4N/Al4N- und cp-Ti/cp-Ti-Verbunden auch erstmalig ultraschalltorsionsgeschweißte Mischverbunde der Leichtmetalle realisiert. Optimierte Prozessparameter für die Verbundkombinationen wurden durch Nutzung moderner statistischer Versuchsmethoden ermittelt. Kinematische, energetische und thermische Prozessgrößen wurden hochaufgelöst während des Fügeprozesses ermittelt. Für den Fügeprozess mit cp-Ti als oberen Fügepartner wurde eine mehrteilige Sonotrode mit speziell angepasster Koppelfläche auf W-La-Basis entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Die Standzeit konnte gegenüber herkömmlichen CPM-Sonotroden um den Faktor 14 gesteigert werden. Detaillierte Bruchflächenanalysen belegen eine Abhängigkeit der Verbindungsbildung von der Schwingungsamplitude. Im zentralen Bereich um die Sonotrodenachse kommt es in Folge der unzureichenden Relativbewegung am Interface zu keiner Verbindungsbildung. Durch die online Schwingungsuntersuchungen mit einem inplane Laservibrometer konnten reale Wegamplituden an der Mantelfläche der Sonotrode gemessen werden. Über den linearen Zusammenhang von Amplitude und Sonotrodenradius konnte mit Hilfe der Bruchflächenanalyse die notwendige Mindestamplitude in Abhängigkeit des oberen Fügepartners abgeschätzt werden. Für weiterführende Forschungsprojekte kann diese Erkenntnis für die Auslegung der Schweißwerkzeuge genutzt werden. Die Bindungsvorgänge beruhen auf der Ausbildung von Mikroverschweißungen zwischen den jeweiligen Fügepartnern. Dies konnte licht- und elektronenmikroskopisch im Querschliff belegt werden. Hochauflösende TEM-Aufnahmen zeigten die Existenz einer sauerstoffreichen, amorphen Schicht zwischen den Reinmetallen, die auf eine Übergangsbindung Al-O-Ti schließen lässt. Für cp-Ti/Al4N-Verbunde konnten zudem sauerstofffreie Grenzflächen nachgewiesen werden, in denen es zu einem rein metallischen Kontakt zwischen Al4N und cp-Ti kommt. Ergänzende Bruchflächenanalyse lassen in diesen Bereichen auf Punkte höchster Festigkeit schließen, in denen es zu köhäsivem Versagen der Leichtmetalle außerhalb der geschweißten Grenzfläche kommt. Die Bildung intermetallischer Phasen sowie ablaufende Diffusionsprozesse in Folge des Ultraschallschweißprozesses konnten nicht nachgewiesen werden. Durch die im Projekt verwendeten Reinstmetalle Al4N und cp-Ti konnten grundlegende Erkenntnisse zur Prozessbeherrschung und –verbesserung sowie neue Erkenntnisse zur Bindungsbildung während des Ultraschalltorsionsschweißens gewonnen werden. Die Ergebnisse und Erfahrungen werden aktuell in einem Forschungsvorhaben intensiv genutzt, um sie auf die Konstruktionswerkstoffe TiAl6V4 und AA7075 übertragen zu können und die Grundlagen für eine zukünftige industrielle Anwendung der Ultraschallschweißtechnik für hybride Leichtmetall-Verbunde legen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ultraschalltorsionsschweißen von Al(4N)-Verbunden – Statistische Versuchsplanung und Eigenschaftsanalyse. DVM Bericht 643, Tagung Werkstoffprüfung 2011, p. 225-230
J. Magin, F. Balle
- Prozess- und Mikrostrukturanalyse von ultraschallgeschweißten Aluminium/Titan-Mischverbunden, Tagung Werkstoffprüfung 2012, p. 109-114
J. Magin, F. Balle, K. Unocic
- Joining of dissimilar materials by ultrasonic metal welding. Proceedings Internat. Congress on Ultrasonics (ICU 2013), Singapore, ISBN: 978-9810759384, edited by G. W. Siong, L. S. Piang and K. B. Cheong, 2013
F. Balle
- Ultraschallschweißen von Ti/Al-Mischverbunden: Mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur, Tagungsband Verbundwerkstoffe 2013, ISBN: 978-3-00-042309-3, S. 431-439
J. Magin, F. Balle
