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Magnetimpulsschweißen erleichtert die Herstellung von Mischverbindungen

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Leicht integrierbarer Prozess

Im Rahmen dieser Studie wurde gezeigt, dass die so erzeugten Verbindungen bei geschickter Prozessführung hochfest sind. In Scherzugversuchen an magnetimpulsgeschweißten Kupfer-Aluminium-Hybridblechen versagt die Probe, wie Bild 4 zeigt, im Kupfergrundwerkstoff in deutlicher Entfernung zur Naht. Das beweist, dass die Fügenahtfestigkeit höher ist als die Zugfestigkeit des Kupfers, das mit 0,5 mm eine deutlich geringere Wandstärke aufweist als das 2 mm starke Aluminiumblech und somit der schwächere Werkstoff ist.

Nun wurde die Verbindungszone mikroskopisch analysiert. Bild 1 zeigt ein Detail aus der Fügenaht mit Wellen samt Verwirbelungen im Bereich des Wellenkamms. Ähnlich wie beim Explosivplattieren sind auch magnetimpulsgeschweißte Verbunde oft, aber nicht zwangsläufig, durch diese wellenförmige Naht gekennzeichnet. Jedoch sind die Sicherheitsvorkehrungen beim Magnetimpulsschweißen deutlich geringer und der Prozess lässt sich viel leichter in eine Fertigung integrieren. Die sehr kleinen intermetallischen Phasen, die außerdem erkennbar sind, sind sehr lokal und vorzugsweise im Bereich der Verwirbelungen angeordnet und bilden keine kontinuierliche Grenzschicht aus [5], [7]. Auch in puncto elektrischer Leitfähigkeit zeichnen sich magnetimpulsgeschweißte Verbindungen durch sehr gute Eigenschaften aus. Dementsprechend zeigt Bild 5 den elektrischen Widerstand im Vergleich zu Blechen, die in einer verschraubten Vorrichtung unter definiertem Kontaktdruck geklemmt wurden. Ausgangshalbzeuge sind in beiden Fällen ein 2 mm starkes Aluminiumblech (EN AW-1050) und ein 1,5 mm starkes Kupferblech (CU-DHP). Gemessen wurde der Spannungsabfall über der Verbunddicke resultierend aus einem definierten, eingeprägten elektrischen Strom. Das ohmsche Gesetzes lässt den Verbundwiderstand berechnen.

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Weitere Materialkombinationen machbar

Bei den geklemmten Blechen zeigt sich, dass speziell bei kleinen Überlappungslängen, die unter Gesichtspunkten der Material-, Kosten- und Gewichtseinsparung interessant sind, hohe Flächenpressungen benötigt werden, um den elektrischen Widerstand des Verbundes klein zu halten. Bei größeren Überlappungslängen sind relativ geringe Flächenpressungen ausreichend. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Flächenpressung hier aber deutlich höhere Kräfte erfordert. Die untersuchten Verbindungen weisen bei gleichem Ausgangshalbzeug durchwegs sehr kleine Verbundwiderstände auf, die durch ein Verklemmen der Bleche kaum erreichbar sind.

Außer Kupfer-Aluminium-Verbindungen sind auch noch viele weitere Kombinationen durch Magnetimpulsschweißen möglich, solange mindestens ein Fügepartner (der Flyer) eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat, um einen guten Wirkungsgrad zu gewährleisten. Zu den denkbaren Varianten zählen etwa die aus dem Automobilbau besonders interessanten Stahl-Aluminium-Verbindungen [8] sowie Aluminium-Titan-Kombinationen [9]. Gemeinsam mit der Volkswagen AG hat das Fraunhofer-IWU gezeigt, dass sich auch Verbunde aus Aluminium und Metall-Kunststoff-Hybridblechen, wie dem von Thyssen-Krupp entwickelten Litecor, durch das Verfahren fügen lassen (Bild 6). Diese Arbeit entstand vorwiegend im Rahmen des EU-geförderten Projektes „JOIN’EM”, das zum „Horizon 2020 research and innovation programme“ gehört (Grant Agreement Nr. 677660). MM

Literatur

[1] The World Copper Factbook 2010. http://de.scribd.com/doc/52153185/2010-World-Copper-Factbook#scribd (18.01.2015).

[2] Lysenko, D. N.; Ermolaev, V. V.; Dudin, A. A.: Method of Pressure Welding. Patentschrift US 3,520,049, 1970.

[3] Okagawa, K., Aizawa, T.: Impact Seam Welding with Magnetic Pressure for Aluminum Sheets. Material Science Forum vols. 465-466, S. 231-236, 2004.

[4] Shribman, V.; Tomer, Y.: Magnetic pulse technology for improved tube joining and forming. In: Tube & Pipe Technology, S. 91-95, 2006.

[5] Göbel, G., Kaspar, J., Herrmannsdörfer, T., Brenner, B., Beyer, E., 2010. Insights into intermetallic phases on pulse welded dissimilar metal joints. In: Proceedings of the 4th International Conference on High Speed Forming – ICHSF 2010, Columbus, S. 127-136.

[6] Psyk, V.; Risch, D.; Kinsey, B. L.; Tekkaya, A. E.; Kleiner, M.: Electromagnetic Forming – A Review. Journal of Materials Processing Technology, 211 (2011), S. 787–829, DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.12.012.

[7] Zhang, Y.; Babu, S. S.; Prothe, C.; Blakely, M.; Kwasegroch, J.; LaHa, M.; Daehn, G. S.: Application of high velocity impact welding at varied different length scales. Journal of Materials Processing Technology 211 (2011) 944-952.

[8] Psyk, V.; Lieber, T.; Kurka, P.; Drossel, W.-G.: Electromagnetic joining of hybrid tubes for hydroforming. Procedia CIRP 23 (2014) 1 – 6.

[9] Psyk, V.; Gershteyn, G.; Demir, O. K., Brosius, A.; Tekkaya, A. E.; Schaper, M.; Bach, Fr.-W.: Process Analysis and Physical Simulation of Electromagnetic Joining of Thin-Walled Parts. In: 3rd International Conference on High Speed Forming – ICHSF 2008, Dortmund, 2008, S. 181-190, 200 – ISBN 3-9809535-3-X.

* Dr.-Ing. Verena Psyk leitet die Gruppe Elektromagnetumformung des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in 09126 Chemnitz, das vom Mitautor Prof. Dr.-Ing. Landgrebe geleitet wird, der auch den Wissenschaftsbereich Umformtechnik und Fügen geschäftsführend leitet. Dipl.-Ing. Maik Linnemann und Dipl.-Ing. Christian Scheffler sind wissenschaftliche Mitarbeiter ebenda. Weitere Informationen, Tel. (03 71) 53 97-17 31, verena.psyk@iwu.fraunhofer.de, www.iwu.fraunhofer.de

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