Verfahren - HZG
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Helmholtz-Zentrum Geesthacht , Monday, 15-Apr-2013 11:12:21 CEST<br />
http://www.hzg.de/institute/materials_research/structure/materials_mechanics/joining_and_assessment/applicationss/index.html.de<br />
<strong>Verfahren</strong><br />
Laserstrahlschweißen von hochfesten Aluminium Legierungen für Luftfahrtanwendungen<br />
Im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungs-Programm Clean Sky wird im Forschungsprojekt<br />
LAWENDEL das Laserstrahlschweißen einer neuen Aluminium-Lithium-Legierung (AA2198-T8, AA2196-T8)<br />
untersucht mit dem Ziel, geeignete Prozessparameter und –bedingungen zu entwickeln, welche die<br />
Herstellung von fehlerfreien Laserschweißnähten in dieser Legierung gewährleisten soll. Mit dieser Legierung<br />
könnten, im Vergleich mit den heute im Flugzeugbau eingesetzten Legierungen, nochmal bis zu zehn Prozent<br />
Gewicht eingespart werden. Die entwickelten Prozesstechnologien werden für das Schweißen von<br />
Leichtbau-Demonstratoren im Original-Maßstab hochskaliert.<br />
Laserstrahlschweißen von hochfesten Aluminium Legierungen für den Automobilbau<br />
Die derzeitigen Entwicklungen im Automobilbau werden im Wesentlichen durch die Forderung nach einer<br />
Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und der Herstellungskosten bestimmt. Durch die Verwendung von<br />
sogenannten Tailor Welded Blanks (TWBs), die aus leichten und hochfesten Aluminiumlegierungen bestehen<br />
und durch Laserstrahlschweißen miteinander verbunden werden können, ist es möglich diese Ziele zu<br />
erreichen. Typische Aluminiumlegierungen des Automobilbaus sind hierbei die AA5XXXer- und AA6XXXer-<br />
Legierungen, wobei auch die AA7XXXer-Legierungen viel versprechend erscheinen. Der<br />
Laserschweißprozess wird dabei in Bezug auf die verwendete Materialkombinationen, z.B. AA5083/AA7075,<br />
die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften, die Korrosionseigenschaften und die Umformbarkeit<br />
entwickelt und optimiert. Falls notwendig wird zusätzlich eine Behandlung der Schweißverbindung zur<br />
besseren Umformbarkeit des TWBs entwickelt.<br />
Laserschweißen von Magnesiumlegierungen<br />
Der wirtschaftliche Einsatz von Magnesiumlegierungen setzt die Verfügbarkeit zuverlässiger Fügeverfahren<br />
voraus, darunter das Laserschweißverfahren. Mit 1.74 g/cm3 weist Magnesium eine Dichte auf, die im<br />
Vergleich zu Aluminium um 40 % und zu Stahl um 78 % geringer ist. Hervorzuheben ist auch die Tatsache,<br />
dass Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer metallischen Eigenschaften gegenüber faserverstärkten<br />
Kunststoffen hinsichtlich der Be- und Verarbeitungsmöglichkeiten (Zerspanungs-, Gieß-, Sinter-, Schmiedeund<br />
Fügetechnik) überlegen sind und damit ein Substitutionspotential gegeben ist. In der Abteilung Fügen und<br />
Bewerten (WMF) werden verschiedene Nahtkonfigurationen in Magnesiumlegierungen mittels<br />
Laserschweißen realisiert und bewertet. Angestrebt wird die Herstellung von lasergeschweißten<br />
Integralstrukturen aus Magnesiumlegierungen, die im Flugzeugbau typisch sind, z.B.<br />
Haut-Stringer-Clip-Verbindungen. Des Weiteren werden Prozessbedingungen untersucht, unter denen Mgmit<br />
Al-Legierungen mittels Laserfügen miteinander verbunden werden können.<br />
Laserstrahlschweißen von Titan Legerungen für Luftfahrtanwendungen<br />
Für die klassische Ti-Legierung Ti6Al4V sind hohe Festigkeit und ausreichende Duktilität verbunden mit<br />
geringer Dichte und hoher Korrosionsbeständigkeit kennzeichnend. In CFK-Baugruppen integrierte<br />
metallische Komponenten werden deshalb zunehmend aus der Legierung Ti6Al4 gefertigt, welche in den<br />
Flugzeugtypen Airbus A350 oder Boeing B787 Verwendung finden werden. Dünnwandige<br />
Ti6Al4V-Komponenten sollen mittels Laserschweißen gefügt werden können, wobei hohe Anforderungen an<br />
die Schutzgasatmosphäre zu stellen sind. In der Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) wird der Einfluss der<br />
Prozessparametervariation und Prozessbedingungen auf die mechanischen und mikrostrukturellen<br />
Eigenschaften von Ti6Al4V-Laserschweißverbindungen untersucht und diskutiert. Neuerdings ist eine<br />
Ti6Al4V-Blechvariante verfügbar, welche sich durch Feinkörnigkeit auszeichnet und infolgedessen bei<br />
niedrigeren Temperaturen und kürzeren Herstellzeiten endkonturnah umgeformt werden kann. Der Umfang an<br />
mechanischer und chemischer Nachbearbeitung kann deshalb verringert werden. Hier wird der Frage<br />
nachgegangen, ob die luftfahrttechnische Eignung der Feinkronvariante und ihrer Laserschweißverbindungen<br />
gegeben ist.<br />
Neue Ansätze zum Fügen von TiAl-Basislegierungen
Neue Ansätze zum Fügen von TiAl-Basislegierungen<br />
Es wird das Ziel verfolgt, das Laserschweißen von dünnwandigen TiAl-Komponenten für den Flugzeugbau<br />
weiter zu entwickeln. Der bisherige Stand der Technik zum Fügen von TiAl-Basislegierungen, der<br />
insbesondere durch das bewährte Diffusionsschweißverfahren geprägt ist, würde mit der Weiterentwicklung<br />
des Laserstrahlschweißverfahrens erweitert werden. Die TiAl-Forschung hat in den letzten Jahrzehnten dazu<br />
geführt, dass die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von TiAl-Basislegierungen sehr gut<br />
verstanden werden. Der Schwerpunkt der TiAl-Forschung hat sich deshalb in den letzten Jahren von der<br />
Legierungsentwicklung hin zu Be- und Verarbeitungsverfahren verlagert, wobei Gieß- und Umformprozesse<br />
im Fokus stehen. Dadurch hat auch die Schweißtechnik in der TiAl-Forschung zunehmend an Bedeutung<br />
gewonnen. Die Verfügbarkeit beherrschbarer Fügeverfahren ist eine wesentliche Voraussetzung für die<br />
industrielle Anwendung von TiAl-Basislegierungen, um komplexe Bauteile herstellen oder defekte Strukturen<br />
mittels TiAl-kompatibler Zusatzwerkstoffe in Pulverform reparieren zu können.<br />
Verbesserung der Schadentoleranz von geschweißten Strukturen mittels<br />
Laseroberflächenwärmebehandlung<br />
Die Substitution von Nietverbindungen durch Schweißverbindungen im Flugzeugbau bedeutet eine Kostenund<br />
Gewichtsreduzierung um 20%. Im Vergleich zu Differentialbauweisen zeigen geschweißte<br />
Integralstrukturen jedoch eine geringere Schadenstoleranz. Dies hat zur Folge, dass geschweißte<br />
Flugzeugbauteile in Bereichen montiert werden, wo Schadenstoleranz kein Auslegungskriterium ist. Ein<br />
Lösungsansatz besteht darin, durch Laserwärmebehandlung Gefüge und Eigenspannungszustand in<br />
geschweißten Strukturen oberflächennah lokal zu beeinflussen, um dadurch z.B. die<br />
Ermüdungsrissausbreitungsrate zu verringern und damit die Lebensdauer zu erhöhen. Experimentelle und<br />
numerische Untersuchungen an der Aluminiumlegierung AA2198 verliefen erfolgreich und sind Anlass für<br />
weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel, die Laserwärmebehandlung als Methode zur<br />
oberflächennahen Bearbeitung von geschweißten Integralstrukturen zu etablieren.<br />
Laser Shock Peening (LSP) von dünnwandigen metallischen Strukturen im Flugzeugbau<br />
Das Laser Shock Peening-<strong>Verfahren</strong> beruht im Wesentlich auf der Einkopplung von gepulster Laserstrahlung<br />
hoher Energie in Werkstoffe oder Bauteile, wodurch sich Schockwellen ausbreiten und diese oberflächennah<br />
Druckeigenspannungen und Verfestigung hervorrufen. Die Beständigkeit von Werkstoffen und Bauteilen<br />
gegen Ermüdung, Schwingungsrisskorrosion und Reibverschleiß kann dadurch verbessert werden. Die<br />
Tiefenwirkung des LSP-<strong>Verfahren</strong>s ist im Vergleich zu klassischen Methoden wie Sand- oder Kugelstrahlen<br />
höher, so dass die Erzeugung von Druckeigenspannungen in größeren Strukturtiefen realisiert werden kann.<br />
Die Neigung zur Ausbreitung von schon vorhandenen und detektierten Rissen lässt sich durch<br />
LSP-Behandlung unterdrücken, wodurch die Lebensdauer von rissbehafteten Strukturen erhöht werden kann.<br />
Gegenwärtig befindet sich in der Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) ein LSP-Labor im Aufbau, wo ein<br />
Q-Switch-Nd:YAG-Laser und ein Roboter sowie ein Interferometer zur Messung von Eigenspannungen nach<br />
der Bohrlochmethode betrieben wird. Eine Zielsetzung besteht darin, Eigenspannungsverteilungen in<br />
Laserschweißverbindungen oder anderen Schweißverbindungen zu modifizieren.<br />
Verbesserung der Schadenstoleranz mittels Krenelierung<br />
Das Ziel der Forschung ist die Untersuchung des Potentials der Krenelierung von Blechen (“Zinnenstruktur“)<br />
zur Rissablenkung unter zweiachsiger Beanspruchung. Dahinter steht die Überlegung, dass zusätzlich zur<br />
Verlangsamung der Rissausbreitung die systematische Variation des Spannungsintensitätsfaktors genutzt<br />
werden kann, um den Riss in eine Vorzugsrichtung zu zwingen und damit die Schädigung zu minimieren.<br />
Numerische Simulation wird zur Ermittlung von Auslegungsparametern für ein verbessertes<br />
Schadenstoleranzverhalten genutzt. Anhand dieser Auslegungsparameter wird das experimentelle Design für<br />
Laborproben bestimmt und die numerische Simulation durch mechanische Prüfungen validiert. Hierauf folgt<br />
die Übertragung auf bauteilähnliche Strukturen, z.B. geschweißte und krenelierte Mehrstringerproben.<br />
Untersuchungen von lokalen und globalen Eigenschaften von Laserschweißverbindungen<br />
Systematische Untersuchungen von Eigenschaftsgradienten in geschweißten Strukturen werden in der<br />
Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) mit folgenden Methoden durchgeführt:
metallographische Charakterisierung (Lichtmikroskopie, REM, EDX, EBSD)<br />
mikromechanische Charakterisierung durch Mikrohärtemessungen und Zugversuche an<br />
Miniaturflachzugproben von 0.5 mm Dicke, 2.0 mm Breite und 9 mm Länge, die aus<br />
Schweißverbindungen herausgetrennt werden, um Festigkeits- und Verformungsgradienten von<br />
Laserschweißverbindungen zu ermitteln.<br />
Untersuchung von Dauerschwingverhalten und Ermüdungsrisswachstum an geschweißten<br />
Strukturen unter konstanten oder variablen Lastamplituden für unterschiedlichste<br />
Probengeometrien<br />
Bruchmechanische Untersuchungen (Charpy-V, instrumentierter Charpy-V Test, KIC, CTOD,<br />
J-Integral) von Schweiß- und Wärmeeinflusszone unter Einsatz von Standard- und im Haus<br />
entwickelter <strong>Verfahren</strong> bei RT und im Tieftemperaturbereich. Dabei können Probenform [Standard<br />
Biege- und C(T)-Proben] und Probengröße gezielt variiert werden<br />
Untersuchung von großen geschweißten Blechen unter Zugbelastung bis 400t<br />
Modellierung und Vorhersage von Schweißeigenspannungen mit FEM-Methoden, sowie deren<br />
Messung mittels Synchrotronstrahlung und Bohrlochmethode<br />
Zerstörungsfreie Röntgenprüfung von Schweißverbindungen