Workshop „Fügen durch plastische Deformation“ · 2020. 7. 9. · Bleche . Rohr- und Behälterstrukturen, Bleche, Gussteile : Bleche, Bänder, Näpfe „Jet-Effekt“ „Unterrühren“

02.10.2018 | Workshop „Fügen durch plastische Deformation“ | 1

Workshop „Fügen durch plastische Deformation“

Projektvorstellung „Stoffschluss“

50 µm

Vortragender: M.Sc. Jörg Bellmann (Institut für Fertigungstechnik an der TU Dresden und Fraunhofer IWS Dresden)

Projektziele SPP 1640

Relevante Mechanismen erkennen und verstärken Auslegung und Verbesserung von

Fügeprozessen Methoden zur Qualifizierung Auslegung von Verbindungsstellen in

Bauteilverbunden


Phase 1 Phase 1 und 2

Phase 2 und 3 Phase 3 und Folgeprojekte

Ziel des Workshops: Hinweise von Anwendern berücksichtigen

Einleitung „Stoffschluss“


Material A Material B Material A Material B

Störschichten, Unebenheiten

+ =

Stoffschluss: Aufbau einer metallischen Bindung zwischen den Fügepartnern

Kaltverschweißung am Endanschlag (C) der Scannereinheit eines Erdbeobachtungssatelliten [1]

[1] Merstallinger, A., Sales, M., Semerad, E., Dunn, B.D. Assessment of Cold Welding Between Separable Contact Surfaces Due to Impact and Fretting under Vacuum. ESA Scientific & Technical Memoranda

Wie werden Störschichten und Unebenheiten bei „kalten“ Fügeverfahren entfernt?

Kollisionsfügen Rührreibschweißen Kaltpressschweißen durch Plattieren und Kaltmassivumformen

A1, A5, A8, A9 A2, A6 A4, A7, C3 / A3

Rohr- und Behälterstrukturen, Bleche

Rohr- und Behälterstrukturen, Bleche, Gussteile

Bleche, Bänder, Näpfe

„Jet-Effekt“ „Unterrühren“ „Aufbrechen“


Forschungsgegenstand: Erforschung des Fügemechanismus‘ und Erweiterung der Prozessgrenzen

Wie sehen typische Fügezonen aus?

Kollisionsschweißen Überlappverbindung Wellenbildung


EN AW-1050A

A5, A8

20 µm

EN CW004A 2 mm A1

EN AW-6060

C45

AZ80 (RS) AC-48000 (AS) AZ80 (RS) EN AC-48000 (AS)

A2 1 mm

A3

C15

EN

AW

-608

2

Rührreibschweißen Stumpfstoß oder

Überlappverbindung „Durchmischung“

Plattieren/ Kaltmassivumformen Stumpfstoß oder

Überlappverbindung Aufgebrochene

Schichten

A4 1 mm

EN AW-1050 H111

500 nm EN AW-1050A

EN CW008A

A6

EN AW-2024

EN AW-1050

A7

Physikalische Prozessgrößen Zeit Druck Temperatur

Bestimmende Parameter Intermetallische Phasen Oberflächenvergrößerung Kontaktnormalspannung

Zielgrößen Festigkeit Leitfähigkeit Korrosionsbeständigkeit Lebensdauer

Was sind wesentliche Zielgrößen und durch welche Parameter werden sie beeinflusst?


Zeit

Druck

Temperatur

Festphasenfügen

A6

According to Lysak, V., Kuzmin, S., 2012. doi:10.1016/j.jmatprotec.2011.08.017.

Übertragung auf reale Prozesse


EN AW-1050A-H14 / S235JR

Vorbehandlung der Oberflächen Umformgrad Lokale Prozessgrößen wie z.B.

Druck und Temperatur

A9

verbunden bei geringer Duktilität verbunden

nicht verbunden

A3

0

2

4

6

40 60 80 100Ver

bund

fest

igke

it [M

pa]

Umformgrad [%]

Einfluss der Wärmevorbehandlung

20 °C400 °C450 °C500 °C550 °C

A4 DC04 / DC04

Wie wird das Ergebnis des Fügevorgangs beurteilt?


A1

Torsionsprüfung

Schweißnaht-Prüfung mittels elektromagnetischem Ultraschall

(zerstörungsfrei)

A2

A5

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (zerstörungsfrei)

A3

Transmissions- elektronen- mikroskopie

A8

Elektronenrückstreubeugung

A9

Aktive Thermografie (zerstörungsfrei)

A7

Scherzugprüfung

A4

Rasterelektronenmikroskopie

DC04

DC04

Highlights von A1 (Magnetpulsschweißen)

1. Optisches Messsystem zur Erfassung der Kollisionsbedingungen Schweißgrenzen bestimmbar Qualität des Schweißprozesses

kontrollierbar 2. Schweißen von Rohr-Rohr-

Verbindungen 3. Geeignete Zwischenschichten senken

den benötigten Energiebedarf 02.10.2018 | Workshop „Fügen durch plastische Deformation“ | 9

Flyer Parent

Mit Zwischenschicht (5 µm Nickel)

Ohne Zwischenschicht

C45

EN AW-6060

5.0 mm

9.3 mm

sp

sp

Highlights von A2 (Rührreibschweißen)


1. AZ80 + EN AC-48000: USE-FSW verhindert das Ausbilden zweier kontinuierlicher IM-Phasen am Interface zwischen Aluminium und Nugget Zugfestigkeit um 25% erhöht

2. Computerlaminografie (CL) zeigt: Al3Mg2 wird aufgebrochen & fein dispers über Nuggetzone verteilt

3. DC04 + EN AW 6061: USE-FSW erhöht Zugfestigkeiten um 15% 4. Optimieren der Ultraschalleinleitung: Anpresskraft und Abstand der Sonotrode zur Stoßfuge

FSW

Ultraschallunterstütztes (USE)-FSW

+ 15 %

Highlights von A3 (Kaltmassivumformung)


1. Validiertes Simulationsmodell zur Voraussage der lokalen Kontaktbedingungen

2. Reproduzierbares Bürsten als einfacher Vorbehandlungsprozess

3. Übertragbarkeit auf weitere Geometrien mittels Prozessfenster nachgewiesen

Simulation bildet Materialfluss und Fügebedingungen nach

0

20

40

60

80

100

120

F n K

raft

in N

2 3

Zeit [s]

Highlights von A4 (Walzplattieren)

1. neue Oberflächenvorbehandlung reduziert Oxide bei Kupfer und erhöht Prüfkräfte bei gleicher umgeformter Fläche

2. dünne Haftvermittler steigern die Verbundfestigkeit bei Multimaterialverbunden (MPTMS bei Alu-Kupfer und BTSE bei Alu-Stahl)

3. Wärmevorbehandlung ermöglicht Verbindung von verzinkten Stahlblechen

4. FE-Modellen mit Benutzer-subroutine verbessern Auslegemethodik


Verbindung von verzinkten Stahlblechen (DC04)

Highlights von A5 (Kollisionsschweißen)


nicht geschweißt

1. Erhöhtes Prozessverständnis durch • Definierte Einstellung der

Parameter für Prozessfensterbestimmung

• Hochgeschwindigkeitsaufnahmen 2. Identifikation der Fügemechanismen 3. Vorhersage des Fügeprozesses beim

EMPT-Schweißen 4. Ultraschalluntersuchungen

ermöglichen Bestimmung der Schweißnahtfläche

geschweißt

Highlights von A6 (Rührreibschweißen)


4 mm 4 mm 4 mm 4 mm

4 mm 4 mm 4 mm

Querschliffe aus Naht ohne Temperaturregelung (kraftgeregelt, entsprechend Schweißrichtung)

Querschliffe aus Naht mit Temperaturregelung (kraftgeregelt, entsprechend Schweißrichtung)

1 2 3 4

7 6 5

EN AW-1050A

𝑣

mit T-Regelung

ohne T-Regelung

1

2 3

4

7

6 5

EN CW008A

1. Anwendung eines temperaturgeregelten Rührreibschweiß-Prozesses. 2. Gesteigerte Prozessrobustheit durch Temperaturregelung z. B. bei Störungen

oder komplexen Nahtgeometrien. 3. IMC-Schicht wird durch Interdiffusion unmittelbar nach der Werkzeugüberfahrt

aufgrund von Prozesswärme gebildet. Die Schichtdicke ist über die Prozesstemperatur einstellbar.

Highlights von A7 (Plattieren)


1. Entwicklung und Durchführung eines Grund-versuches, welcher Spannungszustände im Walzspalt abbilden kann

2. Simulation mit einer Subroutine, welche Verbundentwicklung, -festigkeit qualitativ vorhersagt

3. Experimentelle Validierung am Beispiel des Warmwalzplattierens von AA1050/AA2024

Auflage

Kern

σB [MPa]

0 max

Highlights von A8 (Gefügeentwicklung beim Kollisionsschweißen)


300 µm 35 µm

1. Auswirkungen unterschiedlicher Ausgangsmikrostrukturen und Oberflächenstrukturen auf das Fügeverhalten beim Kollisionsschweißen

2. Generation von ratenabhängigen mechanischen Kennwerten für Simulation des Fügevorganges

3. Mikrostrukturelle Untersuchungen, instrumentierte Mikro- und Nanohärtemessungen

50 µm 50 µm EN AW-1050 EN AW-1050

EN AW-6060 (T4) EN AW-6060 (T4)

Ohne Oberflächenstrukturierung

Mit 15 µm tiefer Oberflächenstrukturierung

Kein Verschweißen mit ultrafeinkörnigem

Cu-OFHC

EN AW-1050

Cu-OFHC

Highlights von A9 (Magnetpulsschweißen)


1. Schweißprozessfenster für Magnetpulsschweißen von Blechen: quasistatische Zugfestigkeit in Abhängigkeit von Ladeenergie und Beschleunigungsabstand

2. Zerstörungsfreie Prüfmethode - Aktive Thermographie erfasst Qualitätsmerkmale:

• Quantitativ: Schweißnahtfläche • Qualitativ:

Schweißnahtunregelmäßigkeiten 0

2000400060008000

100001200014000

0 40 80 120 160

Zugk

raft

F zug

, max

[N]

Schweißnahtfläche AS [mm²]

EN AW-6016-T6 / DP800

Highlights von C3

1. Verbindungsausbildung beim Walzplattieren simuliert (Film-Theorie)

2. Trennvorgang beschrieben durch bilineares Kohäsivzonen-Modell

3. Einflussfaktoren auf die Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren: Dickenreduktion Sauberkeit der Oberflächen Störparameter Reibkoeffizienten


Wie geht es (praktisch) weiter?


A2 A1 A3 A4

A5 A6

A7

A9 Skalierbarkeit Materialkombinationen Zugänglichkeit Auslegungskriterien Kraftschluss als Alternative?

50 µm EN AW-1050

EN AW-6060 (T4)

C3

A8

Workshop�„Fügen durch plastische Deformation“ �Projektziele SPP 1640Einleitung „Stoffschluss“Wie werden Störschichten und Unebenheiten bei „kalten“ Fügeverfahren entfernt?Wie sehen typische Fügezonen aus?Was sind wesentliche Zielgrößen und durch welche Parameter werden sie beeinflusst?Übertragung auf reale ProzesseWie wird das Ergebnis des Fügevorgangs beurteilt?Highlights von A1 (Magnetpulsschweißen)Highlights von A2 (Rührreibschweißen)Highlights von A3 (Kaltmassivumformung)Highlights von A4 (Walzplattieren)Highlights von A5 (Kollisionsschweißen)Highlights von A6 (Rührreibschweißen)Highlights von A7 (Plattieren)Highlights von A8 (Gefügeentwicklung beim Kollisionsschweißen)Highlights von A9 (Magnetpulsschweißen)Highlights von C3Wie geht es (praktisch) weiter?

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