Modellierung und Charakterisierung der intermetallischen Phasenbildung in Laserschweißnähten von Titan-Aluminium und Eisen-Aluminium Schweißverbindungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Erstarrung der Schmelze, d. h. die sich bildenden Phasen und Mikrostrukturen im lasergestützten Fügeprozess entscheidet wesentlich über die Qualität der resultierenden Schweißnaht. Diese beim Fügen von zwei unterschiedlichen Werkstoffen komplexe Phasenbildung und Erstarrungsstrukturen entziehen sich derzeit noch weitgehend einer genaueren Kontrolle, speziell im Hinblick auf die während der Nichtgleichgewichtserstarrung ablaufenden Vorgänge. An diesem Punkt soll die Modellierung der Phasenbildung bzw. -Umwandlung einsetzen, ebenso die der Mikrostruktur unter der Bedingung der Nichtgleichgewichtserstarrung. Neben der Modellierung des Wärme- und Stofftransportes, soll ein mesoskopisches, semistochastisches Modell der Phasen- und Mikrostrukturbildung entwickelt werden, welches einen direkten Vergleich mit den koexistierenden Phasen und den Mikrostrukturen geschweißter Proben ermöglicht. Als besonderer Schwerpunkt soll das Fügen von Titan und Aluminium sowie Eisen und Aluminium einer genaueren Betrachtung unterzogen werden, da das Laserschweißen zweier artfremder Werkstoffe ein ideales Verfahren darstellt. Um die Phasenbildung und Mikrostrukturen der Laserschweißverbindung Ti - Al und Fe - Al zu modellieren, sind Untersuchungen der thermodynamischen und thermophysikalischen Eigenschaften, sowie der Bildungskinetik der auftretenden Phasen erforderlich. Mit den geschaffenen Voraussetzungen (Phasendiagramm, rechnergestütztes Modell) wurde eine erste Reihenuntersuchung durchgeführt, um Grenzen der Prozessführung abzustecken. Hierbei lag das Hauptinteresse an einer Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit. Um eine genaue Einflussnahme der Parameter aufdie Eigenschaften der Schweißverbindung zu analysieren, wurde nur die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Im Gegensatz zu realen Proben, bei denen der Phasensaum auf Grund der Benetzung durch das Aluminium nicht direkt zugänglich ist, kann in den Simulationen sofort erkannt werden, ob die Schweißnaht vollständig ist. Bei einigen lasergeschweißten Proben vom Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik (BIAS), welche ebenfalls mit unterschiedhcher Vorschubgeschwindigkeit hergestellt wurden, waren trotz einer guten Benetzung des Titans durch das Aluminium stellenweise Poren im Phasensaum vorhanden. Besonders kritisch in Bezug auf die Phasensaumdicke ist der Temperaturverlauf während des Schweißprozesses. Die Simulationen zeigen bei den Ti-Al Schweißungen eine obere Grenze der Temperaturführung von etwa 1450 K. Darüber hinaus nimmt der größtenteils stabile bzw. sehr langsam wachsende TiAl3 Phasensaum stark zu. Die TiAl3 wirkt als Sperrschicht in Bezug auf Diffusionsvorgänge. Sobald die lokale Temperatur über einen hinreichend langen Zeitraum oberhalb dieser Grenze liegt, führt dies zu einem starken Wachstum des Phasensaums. Da auch an der unteren Seite des Phasensaums die Schmelztemperatur des Aluminiums erreicht werden muss und ein abnehmender Temperaturgradient entlang des Saums von oben nach unten besteht, muss hier ein Kompromiss gefunden werden. Eine Lösung dieses Problems wäre ein zweiter Laser, welcher die Unterseite aufheizt. Mögliche Lösungen sind außerdem ein größerer Versatz des Lasers, einhergehend mit einer gleichzeitigen Zunahme der Streckenenergie, da die Isothermen mit zunehmendem Abstand von der Laserquelle senkrechter zur Oberfläche verlaufen. Das Vorwärmen der Werkstücke ist eine weitere Prozessvariante. Jedoch müssen hierbei weitere Faktoren berücksichtigt werden, wenn technische Legierungen wie z.B. TiAl6V4 verwendet werden, da es auf Grund des Temperaturgradienten zur Diffusion des Aluminiums innerhalb des Grundmaterials kommt und somit zu Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (Härte) kommen kann. Für eine Optimierung des Schweißprozesses in Bezug auf die Zusammensetzung des Phasensaums bleibt hierbei wegen der recht engen Prozessgrenzen wenig Spielraum.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation der Erstarrungsvorgänge in lasergeschweißten TiAl-Schweißnähten. Werkstoffwoche 2004, München
Wenke, R.
- »Macroscopic modeling of solidification processes by performing the generalized enthalpy method.« Mat. Sci. Eng. A, Bd. 413- 414, S. 490-496, 2005
Gnauk, J .; Wenke, R.; Frommeyer, G.
- »Equilibrium and non-equilibrium simulation of solidification and phase formation in hybrid material joints.« S. 667-670, 2007
Wenke, R.; Gnauk, J .; Frommeyer, G.
