SB_16.933NLP

2014
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Laserstrahlfügen
metallischer
Funktionswerkstoffe
in der Mikrotechnik

Laserstrahlfügen metallischer
Funktionswerkstoffe in der
Mikrotechnik
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.933 N
DVS-Nr.: 10.063
Füge- und Beschichtungstechnik, TU Berlin
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.933 N / DVS-Nr.: 10.063 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2014 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 246
Bestell-Nr.: 170355
ISBN: 978-3-96870-245-2
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltverzeichnis
Vorwort................................................................................................................................. 2
Inhaltverzeichnis ................................................................................................................. 3
Danksagungen ..................................................................................................................... 5
Kurzfassung ........................................................................................................................ 6
1 Einleitung ..................................................................................................................... 7
2 Problemstellungen ...................................................................................................... 8
3 Stand der Technik .......................................................................................................10
3.1 Laserpulsschweißen .................................................................................................10
3.2 Formgedächtnislegierungen ......................................................................................13
3.2.1 Eigenschaften .................................................................................................13
3.2.2 Anwendungsgebiete ........................................................................................17
3.2.3 Fügen von Formgedächtnislegierungen ..........................................................19
3.3 Schweißen von Formgedächtnislegierungen .............................................................23
3.4 Schlussfolgerungen aus der Stand der Technik ........................................................28
4 Zielsetzungen ..............................................................................................................30
5 Vorgehensweise .........................................................................................................31
6 Versuchsaufbau ..........................................................................................................32
6.1 Werkstoffe .................................................................................................................32
6.2 Schutzgas .................................................................................................................35
6.3 Anlagentechnik .........................................................................................................36
6.4 Auswertungsmethoden .............................................................................................39
6.5 Probenvorbereitung und Durchführung der Schweißversuche ..................................41
7 FEM-Simulation von NiTi-Laserschweißungen .........................................................45
7.1 Grundlagen zur FEM-Simulation von NiTiLaserstrahl-schweißungen ........................45
7.2 Simulationsergebnisse zu NiTi-Laserstrahlschweißungen .........................................49
8 Ergebnisse der Laserstrahlschweißversuche ..........................................................61
8.1 Untersuchungen zu Blindnahtschweißungen ............................................................61
8.1.1 Einfluss von Pulsform und Schweißparametern ..............................................61
8.1.2 Einfluss der Schweißbedingungen und konstitutionellen Unterkühlung ...........68
8.1.3 Härteprüfung ...................................................................................................71
8.2 Untersuchungen zu artgleichen Verbindungen NiTi/NiTi ...........................................72
8.2.1 Einfluss von Pulsformen und Schweißparametern ..........................................72
8.2.2 Einfluss des Schutzgases und der konstitutionellen Unterkühlung ..................76
8.2.3 Ermitteln der mechanisch-technologischen Eigenschaften ..............................78
8.2.3.1 Härteprüfung ................................................................................................78
3

8.2.3.2 Zug- und Biegeprüfung ................................................................................79
8.3 Untersuchungen zu Mischverbindungen NiTi/Ta .......................................................84
8.3.1 Einfluss von Pulsform und Schweißparametern ..............................................84
8.3.2 Einfluss der Strahlverlagerung auf NiTi ...........................................................91
8.3.3 Ermitteln der mechanisch-technologischen Eigenschaften ..............................93
8.3.3.1 Härteprüfung ................................................................................................93
8.3.3.2 Zug- und Biegeprüfung ................................................................................95
8.4 Untersuchungen an Mischverbindungen NiTi/Stahl ...................................................97
8.4.1 Einfluss von Pulsform, Schweißparametern und Strahlverlagerung .................97
8.4.2 Ermitteln der mechanisch-technologischen Eigenschaften ............................ 102
8.4.2.1 Härteprüfung .............................................................................................. 102
8.4.2.2 Zug- und Biegeversuch .............................................................................. 104
8.5 Pyrometrische Temperaturmessungen und Hochgeschwindigkeitsvideographie ..... 106
8.6 Korrosionsuntersuchungen ..................................................................................... 111
9 Zusammenfassung ................................................................................................... 114
10 Verzeichnisse ............................................................................................................ 117
10.1 Literaturverzeichnis ................................................................................................. 117
10.2 Abbildungsverzeichnis ............................................................................................ 122
10.3 Tabellenverzeichnis ................................................................................................ 127
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1 Einleitung
Bei konventionellen Konstruktionswerkstoffen, wie z.B. Metallen, Polymeren oder Verbundwerkstoffen
zeigt sich eine im elastischen Bereich reversible und eine im plastischen Bereich
irreversible Verformung. Üblicherweise laufen diese plastischen Verformungen über irreversible
Versetzungsbewegungen ab. Bei FGL hingegen findet die Deformation im pseudoelastischen
Bereich durch eine Veränderung der Gitterstruktur statt. Nickel-Titan-
Formgedächtnislegierungen (NiTi-FGL) zeichnen sich gegenüber anderen Funktionswerkstoffen
durch besondere mechanische Eigenschaften und eine hervorragende Biokompatibilität
aus. Der Formgedächtniseffekt lässt die Legierung nach einer Deformation und anschließender
Erwärmung auf eine legierungsspezifische Temperatur schlagartig wieder in
den Ursprungszustand zurückkehren. Weiterhin haben diese Legierungen die Eigenschaft
der Pseudoelastizität, welche hohe Dehnungen (ca. 6-7 %) ohne bleibende plastische Verformungen
zulassen. Aus diesen Gründen bieten FGL Möglichkeiten zur Lösung technischer
Probleme in den unterschiedlichsten Industriezweigen. Ihre Anwendungsgebiete sind sehr
vielseitig: Implantate, Zahnspangen, Platten und Schrauben zur Behandlung von Knochenbrüchen
sowie als Werkstoff für Werkzeuge im Bereich der minimal invasiven Chirurgie [43].
Deshalb ist neben der artgleichen Verbindung auch die artfremde Verbindung der NiTi-FGL
von besonderem Interesse, um den Werkstoff in andere Bauteile bzw. Baugruppen verbauen
zu können.
Die für die medizintechnische Anwendung eingesetzten superelastischen NiTi-Legierungen
basieren auf der Erzeugung des spannungsinduzierten Martensits. Die optimale Superelastizität
existiert allerdings nur in einem engen Temperaturbereich. Um eine Erweiterung der
Einsatzgebiete möglich zu machen und die vorhandenen Anwendungen wirtschaftlicher gestalten
zu können, wird eine Fügemöglichkeit für diesen Werkstoff benötigt. Ein geeignetes
Fügeverfahren stellt das Schweißen mittels einer Nd:YAG-Laserstrahlquelle dar. Die Laserschweißtechnik
ist eine in der Industrie unersetzbare Technologie, mit der viele schwer
schweißbaren Werkstoffe sowohl als artgleiche sowie auch als Mischverbindungen herzustellen
sind. Bisherige Untersuchungen auf dem Gebiet ergaben sowohl Einschränkungen im
Hinblick auf die erreichbaren Festigkeiten, als auch Probleme beim Erarbeiten eines geeigneten
Prozessfensters. Eine Erweiterungsmöglichkeit des Verfahrens gegenüber den konventionell
gepulsten Lasern mit Rechteckpuls bietet die Pulsmodulation, welche Gegenstand
dieser Arbeit ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Bearbeitungsmöglichkeit des Nitinols mit Hilfe einer Laserstrahlanlage
analysiert und näher beschrieben. Dafür werden zunächst, für ein besseres
Verständnis, die Werkstoffgrundlagen, Herstellungs- und Bearbeitungsmethoden, Materialeigenschaften
sowie die Einsatzgebiete der Formgedächtnislegierungen erläutert. Im weiteren
Verlauf dieser wissenschaftlichen Arbeit werden vorherige Untersuchungen und der Umgang
mit NiTi-FGL näher betrachtet und, anhand der Grundwerkstoffe, Methoden zur Bearbeitung
definiert. Hier werden Einflüsse von Schweißparametern und Pulsformen auf die Gefügeveränderung,
Härte und metallurgisch-technologischen Eigenschaften berücksichtigt. Zusätzlich
werden der Entstehungsmechanismus und der Einfluss von intermetallischen Phasen bei
den NiTi-Mischverbindungen (NiTi/Ta, NiTi/Stahl) untersucht. Dabei werden Wege und Maßnahmen
gesucht, die Grobkorn- und Rissbildung zu vermeiden und die Menge der spröden
intermetallischen Phasen zu minimieren.
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2 Problemstellungen
Den besonderen mechanischen Merkmalen und der Biokompatibilität von NiTi-FGL ist es zu
verdanken, dass die Anzahl der Anwendungen für diesen Werkstoff besonders in der Medizintechnik
in den letzten Jahren stark angestiegen ist (z.B. Stents, Implantate, Prothesen).
Die Formeinprägung („shape setting“) bei NiTi-FGL beruht auf einem geeigneten Wärmebehandlungsprozess,
bei dem das Halbzeug unter äußerem Zwang gehalten wird. Bei diesem
Prozess relaxieren die hohen inneren Spannungen durch Kriechprozesse im Werkstoff. Dabei
sind sowohl definierte Wärmebehandlungstemperaturen als auch Abkühlprozesse notwendig,
um die gewünschten Eigenschaften der FGL zu erreichen bzw. beizubehalten. Auf
Grund der bei der Abkühlung entstehenden spröden intermetallischen Phasen kann eine
Vielzahl der Formgedächtnislegierungen über Schmelzschweißverfahren nicht prozesssicher
gefügt werden. Deshalb werden heutzutage im Normalfall Klemmen, Nieten und/oder Crimpen
als Fügeverfahren angewendet.
Die Kenntnisse über das NiTi-Schweißen begrenzen sich in einem engen Verfahrensbereich,
in dem die Einflüsse auf die NiTi-Eigenschaften bis heute noch nicht klargestellt sind. Bisherige
Untersuchungen auf dem Gebiet ergaben sowohl Einschränkungen in den erreichbaren
Festigkeiten, als auch Probleme beim Erarbeiten eines geeigneten Prozessfensters. Die bis
heute unterschiedlichsten Ergebnisse der Arbeiten über das Schweißen von NiTi mit NiTi, als
auch von NiTi mit artfremden Werkstoffen zeigen, dass es sich weiterhin um eine anspruchsvolle
Aufgabe handelt, qualitativ hochwertige Schweißverbindungen mit NiTi herzustellen.
Eingesetzte Verbindungstechnologien wie Nieten, Klemmen oder Kleben können
nicht alle Anforderungen erfüllen. Verwendbare Ergebnisse wurden mit Reib-, Widerstandund
Laserschweißen erzielt. Obwohl die mit Widerstand- und Reibschweißen hergestellten
Verbindungen höhere Festigkeiten zeigten, hat sich die Lasertechnik beim Fügen von NiTi
aufgrund der besseren Handhabung, der gut fokussierbaren Energiequellen, des geringen
Bauraums sowie der spaltfreien Verbindung durchgesetzt. Mit der Laserstrahlung sind feinste
Strukturen zu fügen, zudem hat das Laserstrahlschweißen aufgrund der schmalen
Schweißnähte nur einen lokal sehr begrenzten Einfluss auf das Grundwerkstoffgefüge, damit
ist eine Änderung des Formgedächtniseffektes während des Prozesses nur lokal zu erwarten.
Alle diese Vorteile tragen dazu bei, dass sich das Laserstrahlschweißen gegenüber den
konventionellen Schmelzschweißverfahren als das flexibelste und insbesondere für die Medizintechnik
geeignetste innovative Verfahren etabliert hat.
Um das Potential von NiTi-FGL weitergehend auszunutzen und deren Anwendungsspektren
zu erweitern, fokussieren die aktuellen Aufgabenstellungen aus dem medizintechnischen
und medizinischen Umfeld auf die stoffschlüssige Anbindung von NiTi an artfremde Werkstoffe.
Bei artfremden Verbindungen, wie z.B. Nitinol mit Ta sollen vor allem die Röntgensichtbarkeit
von Implantaten durch das Ta verbessert werden. Hierzu werden meistens Ta-Kugeln auf ein
Implantat aus NiTi-FGL geschweißt. Durch die verbesserte Röntgensichtbarkeit können die
im Körper platzierten Stents sicherer und schneller lokalisiert werden. In der Literatur wurde
bereits über die Röntgensichtbarkeit des Tantals in verschiedenen Verfahren berichtet. Hier
wurden jedoch weder das Gefüge (Mikrostruktur) noch der Entstehungsmechanismus von
intermetallischen Phasen bei den Mischverbindungen NiTi/Ta ausreichend untersucht.
Das Fügen von NiTi mit Ta mittels Schmelzschweißverfahren stellt aufgrund der unterschiedlichen
Werkstoffeigenschaften eine Herausforderung dar. Dabei haben insbesondere thermisch-physikalische
Eigenschaften, die Gitterstruktur sowie das Materialverhalten bei der
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Aufschmelzung und Erstarrung großen Einfluss auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften
der Verbindungen.
Die NiTi/Stahl-Werkstoffkombination stellt sich bei der Verbindung mittels Schmelzschweißverfahren
aufgrund der Bildung von äußerst spröden intermetallischen Phasen aus den Legierungsbestandteilen
Ti und Fe als schwierig handzuhabend dar. Die Anforderungen an die
medizintechnischen Produkte sind aber höchst anspruchsvoll und daher müssen die jeweiligen
Verbindungen spezifische Eigenschaften aufweisen, um den erfolgreichen Einsatz z.B.
im Rahmen von Behandlungsinstrumenten zu gewährleisten.
Als sicheres und schon verbreitetes Verfahren bietet sich in diesem Zusammenhang das
Schweißen mittels im Puls modulierbarem Laser an. Prozessflexibilität und Maßhaltigkeit der
Laserstrahlquelle haben dabei einen erheblichen Einfluss. Unter der Beachtung von wirtschaftlichen
und qualitätstechnischen Merkmalen ist die Verwendung einer Laserstrahlquelle
unabdingbar.
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