Development of an ultrasonic-assisted brazing process for fluxless joining of cemented carbides to steel
Final Report Abstract
Die wichtigsten wissenschaftlichen Fortschritte dieses Projektes konnten durch die systematische Untersuchung der Verfahrensparameter erzielt werden. Die Basis legte die Betrachtung der US-Parameter und deren Interaktionen mit den Material- und Lötparametern. Diese werden in der Literatur nicht behandelt. Dass diese jedoch nicht vernachlässigt werden sollten, zeigen die Ergebnisse der statistischen Versuchsplanung, welche einen sehr signifikanten Einfluss der Interaktion zwischen Löttemperatur und der US-Aktivierungszeit sowie zwischen der US-Amplitude und der Rauheit zeigen. Eine weitere wichtige Erkenntnis wurde im Bereich der Benetzung gewonnen. Dort zeigte sich der starke Einfluss des Ultraschalls auf die Anbindung sowie die Ausbreitung des Lotes. Diese Erkenntnis ist besonders deshalb relevant, da die Arbeiten zum Ultraschall-gestützten Löten den benetzungsfördernden Effekt von Ultraschall häufig nicht untersuchten. Da dieses Projekt jedoch nur zwei Stahllegierungen und zwei Hartmetallsorten betrachtet, besteht in diesem Bereich weiterhin Forschungsbedarf. Die Untersuchung der dynamischen Festigkeit von Lötverbunden ist ebenfalls nur selten in der Literatur zu finden. Noch seltener werden Stahl-Hartmetall-Verbindungen in Untersuchungen einer zyklischen Belastung ausgesetzt, obwohl in der Anwendung eine dynamische Belastung den Regelfall darstellt. Arbeiten zu einer dynamischen Scherbelastung von Hartmetall-Stahl-Verbindungen wurden vorher noch nicht durchgeführt. Die Konstruktion sowie die Materialauswahl der Probenaufnahme können als Ausgangslage für weitere Arbeiten dienen, welche sich mit der dynamischen Scherbelastung von Fügeverbunden befassen. Die Ergebnisse, die in diesem Projekt erzeugt wurden, zeigen, dass die Lötungen die mittels Ultraschall-gestützten Induktionslöten erzeugt wurden, auch über viele Lastwechsel eine Belastung von um die 100 MPa ertragen können. Als Überraschung im Projekt lassen sich der Einfluss des Ultraschalls auf das Lotgefüge und die Partikelmigration herausstellen. In der Literatur wird der Einfluss von Ultraschall meist als kornfeinend beschrieben. Die Bildung eines feineren Korns, wird mit der Keimbildung in Folge der hohen Drücke und Temperaturen der Kavitation begründet. Zudem wird in der Literatur häufig auch eine verbesserte Durchmischung der Schmelze beschrieben. In diesem Projekt zeigte das Lot durch den US-Einsatz größere Phasen und eine Entmischung der Lotschmelze. Dieser Effekt war nicht zu erwarten. Eine systematische Untersuchung von verschiedenen Lotlegierungen könnte helfen, grundlegende Mechanismen herauszuarbeiten und damit die Wirkung von Ultraschall besser abschätzen zu können. Die Partikelmigration, welche häufig beim Löten von Verbundwerkstoffen nachgewiesen wurde, konnte in diesem Projekt ebenfalls beobachtet werden. In der Literatur wird dieser Effekt meist Partikelverfestigung genannt, da die in die Lötnaht migrierten Partikel den Rissfortschritt behindern und somit zu einem späteren Versagen führen. Die Partikelmigration trat in diesem Projekt nur lokal auf. Risse durch das Lot verliefen nach der dynamischen als auch bei der quasistatischen Belastung durch Lotbereiche mit einer hohen Dichte an WC- Partikeln. Zudem kam es teilweise an Stellen, an denen Partikelmigration auftrat, zu Rissen im Hartmetall. An dieser Stelle lässt sich vermuten, dass das Herauslösen von WC-Partikeln aus dem Hartmetall keinen festigkeitssteigernden Effekt, sondern eher einen festigkeitsmindernden Effekt hat. Da die Partikelmigration jedoch nicht auf bestimmte Bereiche oder bestimmte Parameter zurückzuführen ist, müssen hier noch weiter Untersuchungen stattfinden, um diese Vermutung zu verifizieren oder zu falsifizieren.
Publications
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Effect of US-activation time and temperature on cemented carbide-steel joints, International Brazing and Soldering (2021)
Tillmann W., Ulitzka H., Ulitzka T., Wojarski L., Morozov A.
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Influence of the application of ultrasound on the microstructure of cemented carbide/steel-joints brazed with Ag49ZnCuMnNi, IIW Annual Assembly and international Conference 2022, Doc XVIIA-0247-22
Wojarski L., Tillmann W., Ulitzka H, Ulitzka T.
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Influence of the application of ultrasound on the microstructure of cemented carbide/steel joints brazed with Ag49ZnCuMnNi. Welding in the World, 67(10), 2423-2429.
Wojarski, L.; Tillmann, W.; Ulitzka, H. & Ulitzka, T.
