Ultraschallfügen von Aluminium/Titan-Verbunden für hybride Leichtbauanwendungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im durchgeführten Forschungsvorhaben konnten erfolgreich Leichtmetall-Mischverbunde der Konstruktionswerkstoffe AA7075 und TiAl6V4 mittels torsionaler sowie longitudinaler Ultraschallschweißtechnik realisiert werden. Für beide Werkstoffe wurde eine spezifische Oberflächenvorbehandlung weiterentwickelt, die stets reproduzierbare Rahmenbedingungen gewährleisteten. Optimierte Prozessparameter für Verbundkombinationen mit Aluminium als sonotrodenseitigen Fügepartner konnten durch die Nutzung moderner statistischer Versuchsmethoden ermittelt werden. Für den Fügeprozess mit Titan als oberen Fügepartner wurden mehrteilige Sonotroden mit speziell angepasster Koppelfläche auf W-La-Basis entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Für die realisierten Verbundkombinationen wurden kinematische sowie thermische Prozessgrößen hochaufgelöst während des Fügeprozesses ermittelt. Durch die online Erfassung der oszillierenden Bewegung der Sonotrode mit einem Laservibrometer konnten hierbei reale Schwingungsamplituden experimentell ermittelt werden. Die Messung der Prozesstemperaturen erfolgte über Thermometrie und Infrarot-Thermografie. Die mikrostrukturelle Beurteilung der Verbindungsbildung beim Ultraschallschweißen erfolgte in licht-, rasterelektronen- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen an Querschliffen durch die Fügezone ausgewählter Leichtmetall-Verbunde sowie detaillierter Bruchflächenanalysen. In den licht- und stereomikroskopischen Untersuchungen konnte hierbei die grundsätzliche Entwicklung der Schweißverbindung auf die Basis der Ausbildung von Mikroverschweißungen und deren flächiger Vergrößerung zwischen den jeweiligen Fügepartnern nachgewiesen werden. Für den torsionalen Schweißprozess konnte zudem die Abhängigkeit der Verbindungsbildung von der Schwingungsamplitude belegt werden, womit im zentralen Bereich um die Sonotrodenachse in Folge der dort unzureichend vorliegenden Relativbewegung am Interface keine Verbindungsbildung möglich ist. Durch die ergänzenden Bruchflächenanalysen mittels EDX konnten ferner in zugschergeprüften Mischverbunden kohäsiv versagende Bereiche nachgewiesen werden, in denen stets ein Versagen im Aluminiumfügepartner vorliegt. Die Bildung intermetallischer Phasen sowie ablaufende Diffusionsprozesse in Folge des Ultraschallschweißprozesses konnten nicht nachgewiesen werden. Mit den begleitenden TEM-Untersuchungen und der durchgeführten Elektronen- Energieverlustspektroskopie konnte ein Bindungsmodell für den Ultraschallschweißprozess von Aluminium und Titan aufgestellt werden. Hiernach beruht im nanoskopischen Bereich das Interface größtenteils auf einer Verbindung über die Metalloxide. In sehr lokalen Bereichen wird zunächst das Titanoxid und letztlich das Aluminiumoxid verdrängt. Die auftretenden Metall-Metall-Kontakte sind als höchstfest einzustufen und versagen im Zugscherversuch kohäsiv im Aluminium-Fügepartner. Im vorliegenden Fall für das Ultraschallschweißen von AA7075 und TiAl6V4 kann der Schweißprozess über den Aluminium-Fügepartner empfohlen werden. Ohne eine spezielle Sonotrode können vergleichbare Verbundfestigkeiten bei reduziertem Energie- und Zeiteinsatz realisiert werden. Ferner kann für den Ultraschallschweißprozess auf eine Schutzgasumgebung verzichtet werden, da die Verbindung Aluminium/Titan im noch unkritischen Oxidationsbereich für die untersuchten Titanlegierungen geschweißt werden kann. Sofern die Zugänglichkeit der Schweißpunkte gewährleistet ist, zeigt sich aus mechanischer Sicht das Punktschweißverfahren als vorteilhaft. Im Falle räumlich stark verteilter Schweißpunkte besitzt hingegen das Torsionsverfahren aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus wiederum technologische Vorteile.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Joining of Titanium and Titanium Alloys to Carbon Fibres and Carbon-Fibre Reinforced Polymer Components by Ultrasonic Welding. European Patent No. EP 2 754 546 A1, 2014
F. Syassen, J. Born, F. Balle
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Solid State Joining of Aluminium to Titanium by High Power Ultrasonics. Materials Science Forum, Trans Tech Publications, Switzerland, Vols. 794- 796, 345-350, 2014
F. Balle, J. Magin
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Solid state joining of aluminum, titanium and their hybrids by ultrasonic torsion welding. Special issue: Composites, Compounds and Hybrid Structures based on Light Alloys, Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2014, 1072–1083
J. Magin, F. Balle
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Ultraschalltorsionsschweißen von Aluminium/Titan-Verbunden – Prozessanalyse, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur. Werkstoffkundliche Berichte ISSN 1433-2744, Band 34, TU Kaiserslautern, ISBN 3-932066-33-2
J. Magin
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Ultrasonic spot and torsion welding of aluminum to titanium alloys: Process, properties and interfacial microstructure. Physics Procedia 70, 846-849, 2015
F. Balle, J. Magin
