Fraunhofer-IWU Magnetimpulsschweißen erleichtert die Herstellung von Mischverbindungen

Autor / Redakteur: Verena Psyk, Maik Linnemann und Christian Scheffler / Peter Königsreuther

Kupfer ist in vielen Schlüsselbranchen, wie etwa der Elektrotechnik, ein wichtiger Problemlöser und Machbarkeitsgarant, der aber auch sehr teuer und schwer ist. Deshalb sucht man nach Alternativen. Hybridbauteile sind ein interessanter Weg, den Forscher derzeit beschreiten, um ans Ziel zu kommen. Dazu gehört auch die richtige Fügetechnik, die schnell und materialschonend arbeitet.

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Gelungener Mix: Diverse Beispiele von am IWU bereits erfoglreich gefertigten Materialkombinationen, die mithilfe des Magnetimpulsschweißens entstanden sind.
Gelungener Mix: Diverse Beispiele von am IWU bereits erfoglreich gefertigten Materialkombinationen, die mithilfe des Magnetimpulsschweißens entstanden sind.
(Bild: Fraunhofer-IWU)

Kupfer zeichnet sich durch hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie exzellente chemische Beständigkeit aus. Deshalb ist es derzeit in Deutschland und weltweit der dritthäufigste eingesetzte Rohstoff [1]. Speziell für Anwendungen in den Bereichen der Wärme- und Kältetechnik sowie in elektrischen und elektronischen Applikationen ist er essenziell. 2014 wurden fast 60 % des in Deutschland verarbeiteten Kupfers für Kabel und Elektroanwendungen und weitere 15 % im Bauwesen genutzt.

Leichtbautrend stärkt Interesse

Nicht zuletzt wegen der rasanten Entwicklungen im Elektroniksektor ist der Kupferbedarf und -preis in den letzten Jahre angestiegen. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Kupfer ist neben den hohen Kosten auch die hohe Dichte, die zu hohem Bauteilgewicht führt und so dem aktuellen Trend hin zum Leichtbau widerspricht. So ist es aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen sowie in einigen Wirtschaftssparten, wie beispielsweise im Automobilsektor, auch aufgrund gesetzlicher Vorschriften zur Reduzierung von Emissionen anzustreben, Kupfer so weit wie möglich durch einen alternativen Werkstoff zu ersetzen. Dabei bietet sich besonders Aluminium an, dessen elektrische und thermische Leitfähigkeit bei etwa 60 % der Werte von Kupfer liegt, während die Kosten pro Gewichtseinheit nur etwa 40 % und die Dichte sogar nur 30 % der Werte von Kupfer betragen.

Vor diesem Hintergrund ist das Projekt „Joining of copper to aluminium by electromagnetic fields - JOIN’EM” entstanden. Dazu forschen 14 Partner aus Industrie und Wissenschaft aus Portugal, Österreich, Frankreich, Belgien, Italien und Spanien koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik – IWU, gemeinsam, um Bauteile, die derzeit noch komplett aus Kupfer gefertigt sind, durch Aluminium-Kupfer-Hybridbauteile zu ersetzen. Diese werden größtenteils aus geeigneten Aluminiumlegierungen bestehen, während Kupfer nur noch in Bereichen, wo es unverzichtbar ist, zum Beispiel als lokale Schicht, eingesetzt wird.

So können Kosten deutlich gespart und Leichtbauziele erreicht werden. Doch erfordert dieser Ansatz eine geeignete Technologie für die wirtschaftliche Fertigung qualitativ hochwertiger Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen. Hier bietet sich das Magnetimpulsschweißen an, das auf der sogenannten elektromagnetischen Umformung beruht. Dieses Verfahren wurde 1970 erstmals vorgeschlagen [2], konnte sich jedoch zu der Zeit industriell nicht durchsetzen. In Zusammenhang mit den Entwicklungen zum Leichtbau wird es jedoch seit den 2000er-Jahren wieder intensiv erforscht (siehe [3], [4], [5]) und das industrielle Interesse wächst beständig.

Schwerpunkt liegt auf Blechanwendungen

Der grundsätzliche Aufbau für das Magnetimpulsschweißen ist in Bild 2 am Beispiel des Fügens von Rohren und in Bild 3 für das Fügen von Halbzeugen aus Blech dargestellt. Beide Konzepte bestehen aus einem Stoßstromgenerator (in Bild 2 und 3 repräsentiert durch das elektrische Ersatzschaltbild mit Kapazität C, innerer Induktivität Li und innerem Widerstand Ri), der geometrisch an die jeweilige Fügeaufgabe angepassten Werkzeugspule (häufig auch als Induktor bezeichnet), dem umzuformenden Fügepartner (der sogenannte Flyer) und dem statischen Fügepartner, der als Target bezeichnet wird.

Für den Fügeprozess werden die Enden von Flyer und Target überlappend in definiertem Abstand positioniert. Der Kondensator des Stoßstromgenerators wird aufgeladen und dann über die Werkzeugspule entladen, sodass ein gedämpfter, sinusförmiger Strom fließt, der ein entsprechendes Magnetfeld und einen dem Spulenstrom entgegengesetzt gerichteten Strom im Flyer induziert. So entstehen Lorenzkräfte im Flyer, die, wenn sie die Fließspannung des Werkstoffes erreichen, eine von der Werkzeugspule weggerichtete, plastische Deformation des Flyers bewirken. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Umformung bezeichnet. Ist die initiale Distanz zwischen Flyer und Target überwunden, kommt es zur Kollision der beiden Fügepartner. Wenn die Aufprallbedingungen innerhalb eine von der zu fügenden Werkstoffkombination abhängigen Prozessfensters liegen, kommt es zum stoffschlüssigen Verbund.

Wesentlich ist, dass sich die Werkstücke infolge einer Hochgeschwindigkeitskollision fast ohne Erwärmung verbinden und temperaturinduzierte Probleme üblicher Schweißverfahren, wie Verzug oder Festigkeitsverluste, in der Wärmeeinflusszone nicht auftreten. Auch intermetallische oder oxydische Phasen bilden sich kaum aus, was sich ebenfalls positiv auf die Verbindungsqualität auswirkt. Damit werden konventionell als nicht schweißbar einzustufende Werkstoffkombinationen machbar. Außerdem werden keine Schutzgase, Zusatz- oder Hilfsstoffe benötigt. Der Prozess ist aufgrund der relativ geringen Werkzeugbindung flexibel einsetzbar und zeichnet sich durch gute Reproduzier- und Automatisierbarkeit, vergleichsweise kurze Prozesszeiten sowie geringen Energieeinsatz aus [6].

Ein Fokus von JOIN’EM liegt auf der Technologieentwicklung für das Blechschweißen. Durch detaillierte numerische und experimentelle Parameterstudien soll der Einfluss der einstellbaren Prozessgrößen auf die Verbundausbildung und die resultierende Verbindungsqualität bestimmt, und basierend darauf, Richtlinien für die Prozessführung abgeleitet werden.

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.

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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