Fügen von Al-Cu-Mischverbindungen mittels elektromagnetischem Pulsfügen

Aufgabenstellung

Rohr-Zapfen Verbindungen, Mischverbindungen aus Aluminium / Kupfer bzw. Aluminium / Stahl
© Fraunhofer IWS Dresden
Rohr-Zapfen Verbindungen, Mischverbindungen aus Aluminium / Kupfer bzw. Aluminium / Stahl

Schmelzschweißverfahren sind aus modernen Fertigungsketten nicht wegzudenken und gerade moderne Fügeverfahren wie etwa das Laserstrahlschweißen gelten als Mittel der Wahl, wenn Fügepartner schnell und qualitativ hochwertig gefügt werden sollen. Bestehen die Fügepartner jedoch aus deutlich verschiedenen Metallwerkstoffen, beispielsweise Kupfer und Aluminium, treffen Schmelzschweißverfahren auf erhebliche Probleme, da die in diesen Mischverbindungen unvermeidlichen intermetallischen Phasen die erreichbare Festigkeit der Naht stark einschränken können.

Ziel ist es daher, alternative Fügeverfahren für die industrielle Anwendung zu etablieren, die eine stoffliche Verbindung ohne Umweg über eine lokale Schmelze erzeugen können und damit auch bei kritischen Mischverbindungen hoch belastbare Nähte erzeugen. Konkret sollten Mischverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen aus Aluminium und Kupfer hergestellt werden.

Lösungsansatz

Elektromagnetisches Pulsfügen
© Fraunhofer IWS Dresden
Elektromagnetisches Pulsfügen

Ähnlich dem Explosivschweißen ist quasi schmelzefreies Schweißen nahezu beliebiger metallischer Fügepartner beim sogenannten Magnetpulsschweißen (auch bekannt als elektromagnetisches Pulsfügen, EMP) möglich: Hier wird der lokale Druckimpuls durch berührungsloses Einwirken eines Magnetfeld-Pulses im Bauteil selbst erzeugt.

Die Technologie ist vor allem für die Möglichkeit bekannt, Metalle berührungslos umzuformen, und formschlüssige Verbindungen herzustellen. Bei entsprechender Wahl der Parameter ist aber auch eine atomare Schweißverbindung möglich. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse der Ausbildung der Grenzfläche zwischen den Materialien, da diese eine Schlüsselstellung für die Belastbarkeit einer Verbindung einnimmt.

Entsprechende Untersuchungen am IWS helfen, das Verfahren nicht nur besser zu verstehen, sondern es auch gezielt auf gewünschte Eigenschaften hin zu optimieren.

Ergebnis

Schliffbild einer durch EMP erzeugten Al-Cu-Grenzfläche
© Fraunhofer IWS Dresden
Schliffbild einer durch EMP erzeugten Al-Cu-Grenzfläche
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer Grenzschicht zwischen Aluminium und Kupfer mit nano skaligem Feinkorngefüge
© Fraunhofer IWS Dresden
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer Grenzschicht zwischen Aluminium und Kupfer mit nanoskaligem Feinkorngefüge

Mischverbindungen aus Al-Cu wurden mittels MPW hergestellt und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die Fähigkeit des Verfahrens, stark unterschiedliche Metalle atomar verschweißen zu können, wurde bestätigt. Durch die metallographische Charakterisierung sowie REM- und TEM-Analysen konnte dabei erstmals gezeigt werden, dass auch in scheinbar übergangszonenlos geschweißten Mischverbindungen nanoskalige intermetallische Phasen an den Grenzflächen auftreten. Kritisch waren Säume erst ab einer Dicke von 5 μm, ab der Risse auftreten können.

Durch Optimierung der Fügeparameter konnte die Ausbildung der intermetallischen Phasen stark reduziert und eine hohe Nahtqualität der axial symmetrisch gefügten Bauteile erreicht werden.