Entwicklung langlebiger Sonotrodenkonzepte zum Ultraschallschweißen von Ti-Legierungen durch die Auslegung effizienter Strukturierungen der Sonotrodenkoppelfläche

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Balle; Dr.-Ing. Moritz Liesegang
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530381412

Ultraschallschweißprozesse sind günstige und umweltfreundliche Fügeverfahren, mit denen inner-halb von Sekundenbruchteilen robuste Verbindungen aus artgleichen oder artfremden Werkstoffen erzeugt werden. Die dabei verwendeten Schweißwerkzeuge, sogenannte Sonotroden, bewirken die Verbindung der Fügepartner durch Oszillation in Kontakt mit dem oberen Fügepartner und sind daher hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die im Dauereinsatz zu einer relativ kurzen Lebensdauer von nur wenigen Tagen führen. Dieser Herausforderung stehen nun Sonotroden speziell zum Ultraschallschweißen von Titanlegierungen gegenüber, die von den Antragstellern entwickelt wurden und deren Verschleißverhalten neben des Sonotrodenwerkstoffes signifikant von der Strukturierung der Sonotroden abhängt. Im Forschungsvorhaben werden der Einfluss der Sonotrodenstrukturierung auf die Verbundqualität von Ti/Al-Verbunden und die Lebensdauer der Sonotroden systematisch untersucht. Mit Finite-Elemente-Simulationen werden zunächst Spannungen und Verformungen von Sonotroden mit unterschiedlichen Strukturierungen und den Fügepartnern berechnet, ohne die Sonotroden her-stellen zu müssen. Um die Berechnungen anhand der erreichbaren Festigkeiten und der resultierenden Mikrostruktur im Fügebereich experimentell zu validieren, werden die vielversprechendsten Strukturierungen identifiziert und die entsprechenden Sonotroden hergestellt sowie geprüft. Parallel zu den Schweißungen wird der Sonotrodenverschleiß dokumentiert und charakterisiert. Die Analyse der Mikrostruktur im Fügebereich in Kombination mit den resultierenden Verbundfestigkeiten und den Verschleißeigenschaften werden dazu beitragen, optimierte Sonotrodenstrukturierungen zu konstruieren und dadurch Verbundfestigkeiten zu erhöhen, Werkzeuglebensdauern zu verlängern und das Grundverständnis in Bezug auf Ultraschallschweißsonotroden zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck