Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen bei der elektromagnetischen Rohrumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Prozessauslegung der elektromagnetischen Rohrumformung und den Eigenschaften der – unter Einsatz entsprechender Fügepartner – entstehenden stoffschlüssigen Verbindungen. Aus methodischer Sicht wurden die Untersuchungen hierfür in zwei Schnittstellen aufgeteilt. Einerseits wurden die Wechselwirkungen zwischen Werkzeugspule, Magnetfeld und Werkstück analysiert (Schnittstelle I), andererseits in einem Modellversuch untersucht, welche Parameter zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung bei der Kollision des Werkstücks mit dem Fügepartner führen (Schnittstelle II). Die Untersuchungen wurden parallel am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (Technische Universität Dortmund) und am Institut für Werkstoffkunde (Leibniz Universität Hannover) durchgeführt und die Ergebnisse in einem Syntheseschritt zusammengeführt. Zur Analyse der Schnittstelle I erfolgte zunächst eine Untersuchung des Deformationsverhaltens mittels Hochgeschwindigkeitskamera und Laserabschattungsmessung. Hierbei zeigte sich sowohl, dass die Expansionsgeschwindigkeit einen Maximalwert bei einer Radiusänderung Δr von 2 bis 3 mm annimmt, als auch, dass in diesem Bereich der Radiusänderung eine nahezu parallele Aufweitung des Rohres in der Mitte des Druckbereichs der Werkzeugspule stattfindet. Hieraus ergibt sich, dass für möglichst hohe Kollisionsgeschwindigkeiten mit einem Fügepartner (Nabe) im mittleren Spulendruckbereich ein Kollisionswinkel von α = 0° einstellt. Die Untersuchung der Schnittstelle II erfolgte parallel dazu unter Verwendung eines pneumatischen Hochgeschwindigkeitsfügeversuchsstands. Hier konnten Materialkombinationen aus EN-AW 6060 (Aluminiumknetlegierung), DC06 (Stahl für Kaltumformung) und Reintitan stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Der Stoffschluss wurde licht- und elektronenmikroskopisch nachgewiesen. Es wurde festgestellt, dass die Verbindungsqualität sowohl mit steigenden Kollisionsgeschwindigkeiten, als auch mit größer werdenden Kollisionswinkeln stieg. Um die verbesserte Verbindungsqualität bei größeren Kollisionswinkeln auch bei der elektromagnetischen Rohrumformung mit einer Nabe als Fügepartner zu verifizieren, wurden Naben mit einem Winkel vorkonturiert (Aufweitung des Innendurchmessers von der Mitte des Rohrs zu den Rohrenden hin). Es zeigte sich, dass durch diese Maßnahme eine insgesamt höhere Verschweißungsrate erzielt werden konnte. Besonders deutlich wurde dies im Mittelbereich, in dem es beim Einsatz von nicht vorkonturierten Naben zu keiner stoffschlüssigen Verbindung kam. Da es sich bei der spanabhebenden Vorkonturierung der Naben um einen zusätzlichen und aufwändigen Bearbeitungsschritt handelt, wurden als Alternativkonzepte zwei angepasste Spulengeometrien entwickelt. Diese haben eine über die Längsachse variierende Windungsdichte. Da sich der magnetische Druck, den diese Spulen auf das umzuformende Rohr ausüben, proportional zur Windungsdichte verhält, kann hierdurch die radiale Aufweitung des Rohres an die erforderlichen Kollisionsbedingungen angepasst werden. Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchung der gefügten Verbindungen haben jedoch erkennen lassen, dass die untersuchten Spulenkonzepte nicht zu einer Verbesserung der Schweißnahtausbildung beigetragen haben. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass eine erhöhte Entladefrequenz des Pulsgenerators die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung unter Verwendung des ursprünglichen Spulenkonzeptes begünstigt. Somit ist es abschließend dennoch gelungen stoffschlüssige Verbindung ohne aufwendige Vorkonturierung des Fügepartners herzustellen. Eine Untersuchung des Frequenzeinflusses auf das Schweißergebnis ist noch detailliert zu untersuchen und sollte Grundlage zukünftiger Forschungsaktivitäten sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Process Design for the Manufacturing of Magnetic Pulse Welded Joints. Key Engineering Materials 473 (2011), S. 243–250
Psyk, V.; Gerstein, G.; Barlage, B.; Weddeling, C.; Albuja, B.; Brosius, A.; Tekkaya, A. E.; Bach, F.-W.
-
Investigation of the complex interactions during impulse forming of tubular parts. In: Denkena, B.; Hollmann, F. (Hrsg.), Process Machine Interactions. Berlin, Heidelberg: Springer, 2012, S. 491–511, ISBN: 978-3-642-32447-5
Bach, F. W.; Kleiner, M.; Tekkaya, A. E.
-
Process Model and Design for Magnetic Pulse Welding by Tube Expansion. In: Institut für Umformtechnik - Technische Universität Dortmund (Hrsg.), Proceedings of the 5th International Conference on High Speed Forming. Dortmund: IUL, 2012, S. 197–206
Psyk, V.; Gerstein, G.; Barlage, B.; Albuja, B.; Gies, S.; Tekkaya, A. E.; Bach, F.-W.
