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44 ULTRASCHALLUNTERSTÜTZTES RÜHRREIB- SCHWEISSEN (USE-FSW) – ERWEITERUNG DER EINSATZGRENZEN EINES INNOVATIVEN FÜGE- VERFAHRENS Stichworte Rührreibschweißen, Ultraschallunterstützung, Mischverbunde, Prozessüberwachung, Leichtbau Friction Stir Welding, Ultrasonic Enhancement, Dissimilar Joints, Process Monitoring, Lightweight Construction Ausgangssituation Innovativen Leichtbaukonzepten kommt in der industriellen Fertigung eine stetig wachsende Bedeutung zu. Besonders vorteilhaft hinsicht- lich einer hohen Leichtbaugüte erweisen sich Verbindungen, welche die positiven Eigenschaften mehrerer Werkstoffe zugleich ausnutzen. Eine Herausforderung besteht dabei in der Wahl geeigneter Fügever- fahren, welche die Herstellung hochfester Mischverbunde ermögli- chen. Durch konventionelle Schmelzschweißverfahren lassen sich sol- che Verbunde meist nicht mit ausreichender Festigkeit herstellen, da aufgrund auftretender Schmelzphasen die ausgeprägte Entstehung intermetallischer Sprödphasen in der Schweißzone unvermeidbar ist. Aus diesem Grund sind zur Herstellung stoffschlüssiger Verbunde besonders Pressschweißverfahren von technischem Interesse. Diese zeichnen sich durch eine Verbindungsbildung im verformungsfähigen Zustand der beteiligten Werkstoffe bei weitgehender Vermeidung von schmelzflüssigen Anteilen aus. Ein Verfahren, das stoffschlüssiges Fügen zwischen Leichtmetallen, aber auch zwischen Leichtmetallen und Stählen durch plastische Deformation ermöglicht, ist das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding / FSW). Aufgabenstellung und Durchführung Untersuchungen des FSW-Prozesses sowie entsprechender Verbindungen haben gezeigt, dass trotz Fügetemperaturen deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen der beteiligten Werkstoffe, die Entstehung festigkeitsmindernder intermetallischer Phasen nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Daher wurde im Rahmen des beschriebenen Projektes der vom Fraunhofer IZFP gemeinsam mit der TU Kaiserslautern zum Patent angemeldete Ansatz des ultraschallunterstützten Rührreibschweißens (Ultrasonic Enhanced Friction Stir Welding / USE-FSW) weiterentwickelt. Der synchron zum FSW-Prozess in die Fügeteile eingeleitete Ultraschall dient dabei der Beeinflussung der Durchmischung sowie der sich ausbildenden Mikrostruktur, speziell der zu erwartenden in- termetallischen Phasen im Bereich der Fügezone und somit der qua- sistatischen, zyklischen und korrosiven Eigenschaften der Verbunde. Aufgabe des Fraunhofer IZFP in dem noch laufenden Projekt ist zum einen die klassische Post-Process Verbindungsprüfung hinsichtlich Nahtunregelmäßigkeiten, aber auch die Steigerung der Effizienz des Prozesses, u. a. durch detaillierte Pre-Process Untersuchungen und Parameteroptimierungen der Ultraschalleinleitung. Im weiteren Projektverlauf soll vom Fraunhofer IZFP eine geeignete Methode zur Prozessüberwachung (In-Process) realisiert werden. Eine denkbare Alternative besteht in der Nutzung des ohnehin eingeleite- ten Ultraschalls zur Detektion möglicher Inhomogenitäten bereits im laufenden Prozess. Zudem erfolgen weitere mikrostrukturelle, mecha- nische und korrosive Untersuchungen durch die Konsortialpartner. Ergebnisse und Vorteile Zur Ermittlung adäquater Parameter des Fügeprozesses wurden FSW- und USE-FSW-Verbunde im Post-Process mittels diverser ZfP- Methoden (u. a. Röntgen, elektromagnetisch angeregter Ultraschall (EMUS)) untersucht. Körperschallmessungen im Bereich der Stoßfuge erlaubten die Identifikation optimaler Parameter der Ultraschalleinlei- tung im Hinblick auf eine maximale Wirkung. Eine gesteigerte Durch- mischung sowie die disperse Verteilung von intermetallischen Phasen
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ULTRASCHALLUNTERSTÜTZTES RÜHRREIB-SCHWEISSEN (USE-FSW) – ERWEITERUNG DER EINSATZGRENZEN EINES INNOVATIVEN FÜGE-VERFAHRENS
Stichworte
Rührreibschweißen, Ultraschallunterstützung, Mischverbunde,
Prozessüberwachung, Leichtbau
Friction Stir Welding, Ultrasonic Enhancement, Dissimilar Joints,
Process Monitoring, Lightweight Construction
Ausgangssituation
Innovativen Leichtbaukonzepten kommt in der industriellen Fertigung
eine stetig wachsende Bedeutung zu. Besonders vorteilhaft hinsicht-
lich einer hohen Leichtbaugüte erweisen sich Verbindungen, welche
die positiven Eigenschaften mehrerer Werkstoffe zugleich ausnutzen.
Eine Herausforderung besteht dabei in der Wahl geeigneter Fügever-
fahren, welche die Herstellung hochfester Mischverbunde ermögli-
chen. Durch konventionelle Schmelzschweißverfahren lassen sich sol-
che Verbunde meist nicht mit ausreichender Festigkeit herstellen, da
aufgrund auftretender Schmelzphasen die ausgeprägte Entstehung
intermetallischer Sprödphasen in der Schweißzone unvermeidbar ist.
Aus diesem Grund sind zur Herstellung stoffschlüssiger Verbunde
besonders Pressschweißverfahren von technischem Interesse. Diese
zeichnen sich durch eine Verbindungsbildung im verformungsfähigen
Zustand der beteiligten Werkstoffe bei weitgehender Vermeidung
von schmelzflüssigen Anteilen aus. Ein Verfahren, das stoffschlüssiges
Fügen zwischen Leichtmetallen, aber auch zwischen Leichtmetallen
und Stählen durch plastische Deformation ermöglicht, ist das
Rührreibschweißen (Friction Stir Welding / FSW).
Aufgabenstellung und Durchführung
Untersuchungen des FSW-Prozesses sowie entsprechender
Verbindungen haben gezeigt, dass trotz Fügetemperaturen deutlich
unterhalb der Schmelztemperaturen der beteiligten Werkstoffe, die
Entstehung festigkeitsmindernder intermetallischer Phasen nicht
vollständig ausgeschlossen werden kann. Daher wurde im Rahmen
des beschriebenen Projektes der vom Fraunhofer IZFP gemeinsam
mit der TU Kaiserslautern zum Patent angemeldete Ansatz des
ultraschallunterstützten Rührreibschweißens (Ultrasonic Enhanced
Friction Stir Welding / USE-FSW) weiterentwickelt.
Der synchron zum FSW-Prozess in die Fügeteile eingeleitete
Ultraschall dient dabei der Beeinflussung der Durchmischung sowie
der sich ausbildenden Mikrostruktur, speziell der zu erwartenden in-
termetallischen Phasen im Bereich der Fügezone und somit der qua-
sistatischen, zyklischen und korrosiven Eigenschaften der Verbunde.
Aufgabe des Fraunhofer IZFP in dem noch laufenden Projekt ist zum
einen die klassische Post-Process Verbindungsprüfung hinsichtlich
Nahtunregelmäßigkeiten, aber auch die Steigerung der Effizienz des
Prozesses, u. a. durch detaillierte Pre-Process Untersuchungen und
Parameteroptimierungen der Ultraschalleinleitung.
Im weiteren Projektverlauf soll vom Fraunhofer IZFP eine geeignete
Methode zur Prozessüberwachung (In-Process) realisiert werden. Eine
denkbare Alternative besteht in der Nutzung des ohnehin eingeleite-
ten Ultraschalls zur Detektion möglicher Inhomogenitäten bereits im
laufenden Prozess. Zudem erfolgen weitere mikrostrukturelle, mecha-
nische und korrosive Untersuchungen durch die Konsortialpartner.
Ergebnisse und Vorteile
Zur Ermittlung adäquater Parameter des Fügeprozesses wurden
FSW- und USE-FSW-Verbunde im Post-Process mittels diverser ZfP-
Methoden (u. a. Röntgen, elektromagnetisch angeregter Ultraschall
(EMUS)) untersucht. Körperschallmessungen im Bereich der Stoßfuge
erlaubten die Identifikation optimaler Parameter der Ultraschalleinlei-
tung im Hinblick auf eine maximale Wirkung. Eine gesteigerte Durch-
mischung sowie die disperse Verteilung von intermetallischen Phasen
45www.izfp.fraunhofer.de | Jahresbericht 2016
Summary
In lightweight construction, structures exploiting positive properties
of multiple materials are notably favorable. The presented project
investigates the influence of ultrasound on the formation of
intermetallic and strength-reducing phases in case of the ultrasonic
enhanced friction stir welding (USEFSW). To optimize the parameters
of the joining process, FSW and USEFSW joints were analyzed in
the post-process by means of various NDT methods. Pre-process
measurements of the acoustic emissions in the area of the butt joint
facilitated the identification of optimal parameters for ultrasound
insonification. An increased mixing as well as the disperse distribution
of intermetallic phases and oxide bands in the joining area have been
proven. Both aspects bear positively on the mechanical properties.
Thus, the tensile strength of Al/Mg joints was increased by 25
percent and the cyclic lifetime by a factor of 3.5. Moreover, USEFSW
disposes of the potential to reduce the process forces by the effect
of "acoustic softening", thus minimizing tool wear and process
times. Over the further course of the project, Fraunhofer IZFP will
realize a suitable in-process monitoring method. To this, a possible
way to detect inhomogeneities during the ongoing process involves
the use of the ultrasound already insonified. More micro structural,
mechanical and corrosive investigations will be carried out by the
project partners.
Ansprechpartner
Dr.Ing. Benjamin Straß
+49 681 9302 3619
Dr.-Ing. Bernd Wolter
+49 681 9302 3883
und Oxidbändern im Fügebereich konnten nachgewiesen werden.
Beide Aspekte wirken sich positiv auf die erreichbaren mechanischen
Eigenschaften aus. So konnte die quasistatische Zugfestigkeit von Al/
Mg-Verbunden um 25 Prozent und die zyklische Lebensdauer um
den Faktor 3,5 gesteigert werden. Zudem besteht grundsätzlich das
Potenzial, wie vom Bohren oder Fräsen bekannt, die Prozesskräfte
durch den Effekt des Acoustic Softening im USE-FSW-Prozess zu
reduzieren, wodurch der Werkzeugverschleiß minimiert und die
Prozesszeiten beschleunigt werden können.
Projektträger
Das Vorhaben basiert auf dem gemeinsamen Patent von Fraunhofer
IZFP und TU Kaiserslautern zum Verfahren »Ultraschallunterstütztes
Rührreibschweißen« und wird von der Deutschen Forschungsge-
meinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogrammes SPP1640
»Fügen durch plastische Deformation« seit dem Jahr 2013 gefördert.
Das Konsortium besteht aus dem Fraunhofer IZFP, der Professur für
Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde der TU Chemnitz und
dem Dechema Forschungsinstitut (Frankfurt/Main).
Ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen (USE-FSW) Computerlaminographie azn Al/Mg-Verbunden (Al ausgeblendet)
