Generation of a fine-grained microstructure in GMA-welded aluminium by modified filler materials for a reduction of solification cracks
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit ist der Einfluss von modifizierten Schweißdrahtelektroden durch Dünnfilmbeschichtungen am Beispiel der Legierung ISO 18273 – S Al 5754 (AlMg3) untersucht worden. Die Forschungsschwerpunkte liegen dabei einerseits auf den Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes und andererseits auf der Beeinflussung des Schweißprozesses. Auf Basis von wissenschaftlich publizierten Erkenntnissen zur kornfeinenden Wirkung von Legierungselementen bei Aluminiumwerkstoffen und anhand des Q-Faktors, welcher Aufschluss über die kornfeinende Wirkung verschiedener Elemente geben kann, werden Titan, Titandiborid, Nickel, Niob, Chrom, Silicium und Zirkonium als Beschichtungswerkstoffe ausgewählt. Darüber hinaus werden Oxidbeschichtungen (TiO, ZrO) und eine Nitridbeschichtung (TiN) auf die Drahtelektrode appliziert. Durch das Beschichten der Elektroden mit kornfeinenden Elementen (z.B. TiB2) kann die Korngröße um bis zu 46% reduziert werden. Dies wirkt sich gemäß der Hall-Petch-Beziehung auf die mechanisch technologischen Eigenschaften aus. Zur Beurteilung des Einflusses auf die Festigkeitseigenschaften wurden quasistatische, zyklische und dynamisch schlagartige Untersuchungen durchgeführt. Im Bereich der quasistatischen Festigkeit konnte eine Erhöhung der Dehngrenze um bis zu 26% durch eine Beschichtung mit ZrO erreicht werden, sowie eine Erhöhung der Zugfestigkeit um rund 20%. Eine Steigerung der dynamischschlagartigen Festigkeit konnte dagegen nicht festgestellt werden. Die Ergebnisse im Bereich der zyklischen Festigkeitsuntersuchungen zeigen eine Erhöhung der ertragbaren Lasten bei gleichen Schwingspielzahlen bspw. durch eine TiO-Beschichtung (Ti 0,092 Gew.-%) und eine Nickelbeschichtung (Ni 0,109 Gew.-%). Der Einfluss auf das Gefüge respektive die Reduzierung der Korngröße wirkt sich nicht nur auf die mechanischen Eigenschaften, sondern auch auf die Heißrissanfälligkeit des Schweißgutes aus. Insbesondere TiB2- und Ti-Beschichtungen können die Heißrissanfälligkeit des Schweißgutes reduzieren. Die im Rahmen des Projektes entwickelten Modelle, welche mit Hilfe statistischer Methoden erarbeitet wurden, zeigen den für eine effektive Senkung der Heißrissanfälligkeit optimalen Bereiche des jeweiligen Elementgehaltes auf. Dieser ist am Beispiel der TiB2-Beschichtungen validiert worden, was die Aussagekraft der Ergebnisse unterstreicht. Neben den Untersuchungen des Schweißgutes wurde auch der Schweißprozess und die Lichtbogenausprägung (Lichtbogenlänge) untersucht. Mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und zeitsynchronen Strom-Spannungsmessungen wurde der Lichtbogen analysiert. Durch den Einfluss der Beschichtungen auf die Lichtbogenatmosphäre und der damit einhergehenden kennlinienbedingten Reaktion der Schweißstromquelle, kommt es zu einer deutlichen Abnahme der Lichtbogenlänge. Letztlich führt die Schweißprozessbeeinflussung durch die Dünnfilmbeschichtungen auch zu einer Änderung des Einbrandverhaltens. Bei TiB2-Beschichtungen kommt es zu einem, im Verhältnis zur Referenzdrahtelektrode, deutlich flacheren und breiteren Einbrand. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird gezeigt, dass eine deutliche Einflussnahme auf die Schweißguteigenschaften durch PVD-Beschichtungen möglich ist. Diese Einflussnahme ist jedoch limitiert, da mit zunehmender Schichtdicke ein höherer Wasserstoffgehalt und damit verbunden eine größere Porosität gemessen wird. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse des Forschungsprojekts nach, dass die Dünnfilmbeschichtung mit Hilfe des PVD-Verfahrens ein nützliches Werkzeug zur individuellen, bedarfsgerechten und losgrößenunabhängigen Einflussnahme auf die Verarbeitungseigenschaften im Schweißprozess und das Schweißgut ist.
Publications
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Minderung der Heißrissanfälligkeit von AlMg3-Drahtelektroden beim MIG-Schweißen durch Applizieren von PVD- Dünnfilmbeschichtungen. In: Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, S. 122–127
Gehling, T.; Treutler, K. & Wesling, V.
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Wire electrode of 5754 aluminum modified by PVD-thin film depositions. Welding in the World, 67(4), 935-943.
Gehling, T.; Treutler, K. & Wesling, V.
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„Beurteilung des Einflusses von beschichteten Drahtelektroden beim MSG-Schweißen von Aluminiumlegierungen“, Dissertation, TU-Clausthal, Clausthal-Zellerfeld
T. Gehling
