Abgeschlossene Projekte
Titel:
Entwicklung einer Fertigungslösung für neuartig beschichtete Schweißzusatzwerkstoffe und Integration in einen bestehenden Schweißprozess
Förderung: ZIM
Laufzeit: 07/17 – 09/19
Abstract:
Im Rahmen des Projektes wurden PVD-Beschichtungen von Schweißdrahtelektroden sowie deren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften und die Verarbeitungseigenschaften im Schweißprozess untersucht. Durch eine systematische Analyse des Einflusses von Monoelement-Beschichtungen unterschiedlicher Schichtdicke konnten im weiteren Projektverlauf auch Mehrkomponenten- und Multilayerbeschichtungen entwickelt werden. Im Schweißgut wurde so im Mittel eine Streckgrenze von bis zu 1100 MPa bei einer Kerbschlagarbeit von 37 J erreicht. Auswirkungen auf die Lichtbogenlänge konnten mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera dokumentiert werden. Um wissenschaftlich reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen wurden die Schweißdrahtelektroden für die durchgeführten Schweißversuche mit einer PVD-Anlage beschichtet, die dem industriellen Standard entspricht. Neben der Entwicklung verschiedenster Beschichtungssysteme wurde ein Prototyp einer Anlage zur kontinuierlichen Beschichtung von Drahtelektroden entwickelt und gebaut. Die Geschwindigkeit, des industriellen Drahtziehprozesses kann mit der Beschichtungsanlage nicht erreicht werden, weshalb die Idee verfolgt wurde, den Draht als Vorprodukt mit einem größeren Durchmesser zu beschichten und daraus anschließend das Endprodukt zu fertigen. Die Bedienung von Nischenmärkten mit außergewöhnlichen Anforderungen an die Metallurgie eines Schweißgutes ist durch die entwickelte, kontinuierliche Drahtbeschichtung und der damit verbundenen Flexibilität denkbar.
Titel:
Hybrides Verbundschmieden als Fügeverfahren für Aluminiummassivteile und Stahlbleche
Förderung: DFG
Laufzeit: 04/17 – 08/19
Abstract:
Ziel des beantragten Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines hybriden Verbundschmie-deprozesses für die Werkstoffkombination Stahl/Aluminium. In einem ersten Prozessschritt sollte ein Aluminiummassivteil auf einem Stahlblech umgeformt und eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Elemente durch die Umformung hergestellt werden. Die stoffschlüssige Verbindung sollte hierbei über Zink als Lotwerkstoff erfolgen, welches im Prozess aufgeschmolzen wird und anschließend wieder erstarrt. In einem weiteren Schritt wurde das Hybridelement weiter umgeformt, um die Eignung der Verbindung für eine Weiterverarbeitung zu analysieren. Der Prozess wurde in einem Modell abgebildet, welches die Verbindungsqualität der Elemente in Abhängigkeit von den Prozessparametern der Umformung darstellt.
Am ISAF wurden hierzu die optimalen Fügeparameter für die Kombination aus Stahlblech/Aluminiummassivteil mit Hilfe von Zinklot ermittelt. Dazu erfolgte die Entwicklung eines Versuchsaufbaus mittels Druckversuchen im Ofen. Im Rahmen dieser Versuche wurden verschiedene Prozessparameter variiert, um deren Einfluss auf die Fügeverbindung zu charakterisieren. Dazu zählten die Temperatur, der Druck, die Zeit sowie die Oberflächenbeschaffenheit der verwendeten Materialien. Anhand dieser Versuchsergebnisse wurden die Haftungsvorgänge sowie das Verhalten der Werkstoffe analysiert, um die Erkenntnisse bei der Gestaltung des kombinierten Umform- und Fügeprozesses zu berücksichtigen. Es konnte eine Verbindung erzeugt werden, die nur vereinzelt spröde Fe-Al-Phasen aufweist. Dabei wurden Festigkeiten von 2,1 kN erzielt.
Der zweite Schritt war die Umsetzung des ermittelten Prozessfeldes in den Schmiedeprozess und wurde vom IPH verfolgt. Anschließend erfolgte die Ermittlung eines möglichen Parameterfeldes unterstützt durch FEM-Simulationen. Insbesondere das Einstellen der gewünschten Prozessparameter aus den Modellversuchen in der Fügezone sollte durch gezielte Variation der Umformparameter in den FEM-Simulationen erreicht werden. Im Anschluss an die FEM-Simulationen wurden Versuchsschmiedungen mit den simulativ ermittelten Umformparametern durchgeführt. Um die Möglichkeit der Weiterverarbeitung der erzeugten Hybridbauteile zu untersuchen, wurden diese durch einen Blechumformprozess unter Belastung der Fügestelle weiter umgeformt. Die Ergebnisse zeigten zum einen ein abgestecktes Prozessfenster, indem die Fertigung von Verbundhybridbauteilen möglich erscheint, sowie das Vorhandensein von verbundhybridgeschmiedeten und blechumgeformten Werkstücken.
Zusätzlich zu den Versuchen wurden die Zusammenhänge zwischen der Fügequalität und den Umformparametern ermittelt. Dafür wurden die hergestellten Bauteile, sowohl nach dem Fügen als auch nach der Blechumformung hinsichtlich ihrer mechanischen und metallografischen Eigenschaften untersucht. Auf Basis dieser Ergebnisse sowie der Analyse der Mess- und Simulationsergebnisse ergab sich anschließend ein Gesamtmodell, das die Eingangsparameter in Zusammenhang zur Qualität der Fügeverbindung setzt.
Titel:
Belastungsgerechte Lichtbogenlötverbindung hochfester Stahlfeinbleche unter metallurgischen und geometrischen Aspekten
Förderung: DFG (Gemeinschaftsantrag)
Laufzeit: 12/13 - 11/16
Abstract:
Zwischen den Anwendungsmöglichkeiten und der realen Anwendung von Lichtbogenlötverbindungen besteht nach dem aktuellen Stand der Forschung eine hohe Divergenz. Dies ist darauf zurückzuführen, dass derzeit das Verständnis des Versagens lichtbogengelöteter Feinblechverbindungen, unter statischer und zyklischer Belastung, noch nicht ausreichend vorhanden ist, um eine belastungsgerechte Gestaltung der gefügten Bauteile vorzunehmen.
Dieses grundlegende Verständnis der Zusammenhänge von geometrischer Ausführung der Lötnaht, insbesondere am Überlappstoß, und deren lokaler metallurgischer Zusammensetzung auf die Verbindungseigenschaften soll im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeitet werden. Die Orte, an denen eine lichtbogengelötete Überlappverbindung üblicherweise versagt, sind sowohl für den Fall statischer als auch zyklischer Belastungen bekannt. Die genauen lokalen Vorgänge und Versagensmechanismen konnten jedoch bislang nur unzureichend beschrieben werden. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es deswegen die wesentlichen Einflussfaktoren auf die statische und zyklische Verbindungsfestigkeit detailliert zu untersuchen, um damit auf die zugrunde liegenden Versagensmechanismen zurückzuschließen. Dadurch wird eine zuverlässigere Aussage über Versagensursachen ermöglicht.
Das Ziel des Forschungsvorhabens gliedert sich somit in zwei Teilziele auf. Teilziel 1 ist es eine Lötverbindung zu realisieren, die sich durch eine hohe statische Festigkeit auf Grundwerkstoffniveau auszeichnet bei gleichzeitig noch guter zyklischer Festigkeit. Teilziel 2 ist es, eine Verbindung zu erzeugen, die eine sehr gute Festigkeit bei zyklischer Belastung aufweist, deutlich über den bisher möglichen 25 % der ertragbaren Last des Grundwerkstoffs, bei gleichzeitig noch guter statischer Festigkeit. Dabei ist eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse mit geringen Streuungen eine integrative Zielforderung für beide genannten Teilziele. So wird eine zuverlässigere und festere Verbindung in Bezug auf die überwiegende Belastung realisiert.
Titel:
VentiWear: Maßgeschneiderte Verschleißschutzsysteme zum Strukturleichtbau von Industrieventilatoren
Förderung: ZIM
Laufzeit: 03/13-03/15
Abstract:
Industrieventilatoren sind während ihres Einsatzes massiven Verschleißbeanspruchungen unterworfen, sodass es bei ihnen notwendig ist, regelmäßig technische Revisionen sowie Instandhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen durchzuführen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des auftretenden Verschleißes ist der Einsatz vorgefertigter Verschleißplatten, die von spezialisierten Zulieferunternehmen bereitgestellt werden. Diese konventionelle Lösung lässt allerdings bei schnelllaufenden Großventilatoren wenige Werkstoffvarianten zu, womit bestimmte geforderte Eigenschaften der Panzerungen nicht verfügbar sind. Außerdem ist die Hartphasenmorphologie durch die bisher genutzten Beschichtungsverfahren nicht so realisierbar, wie sie beim Erosionsverschleiß durch feine Partikel benötigt wird. Weitere Nachteile sind, dass die Strukturwerkstoffe in der Erstpanzerung oftmals nicht direkt beschichtet werden, da diese durch die verfügbaren konventionellen Beschichtungsverfahren wie Plasmapulverauftragschweißen, Open-Arc-Verfahren und Metallschutzgas-Prozesse thermisch so stark beansprucht werden, dass ihre ursprünglichen mechanisch-technologischen Eigenschaften irreversibel verloren gehen und daher nicht als tragender Querschnitt in der rechnerischen Auslegung mitberücksichtigt werden können.
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden deshalb beanspruchungs- und beschichtungsprozessgerechte Verschleißschutzsysteme zum Auftragschweißen von hochbelasteten Strukturbauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen durch moderne, geregelte (energiearme) schweißtechnische Beschichtungsverfahren für Leichtbauventilatoren entwickelt. Neben einer massiven Standzeitverlängerung (> 340 %) der Beschichtungen gegenüber den unbeschichteten Grundwerkstoffen wurde eine erhebliche Reduzierung des Ventilatorengewichts, d. h. des Gewichtes der beschichteten Einzelteile um > 20 % erzielt.
Titel:
Entwicklung und Charakterisierung eines SOFC-Stacks mit elektrisch parallel verschalteten Einzelzellen “El PaSO“
Förderung: AiF/DECHEMA
Laufzeit: 12/2012 – 02/2015
Abstract:
SOFC-Brennstoffzellen gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz und Brennstoffflexibilität als Hoffnungsträger für die zukünftige Energieversorgung in stationären und mobilen Anwendungen. Neben den zu hohen Kosten sind zurzeit Probleme der Lebensdauer und Degradation ein wesentlicher Hinderungsgrund für einen zügigen Markteintritt.
Einige die Stack-Degradation beeinflussende Parameter hängen direkt mit der standardmäßigen Serienschaltung der Einzelzellen zusammen. So müssen elektrisch isolierende Dichtungen eingesetzt werden, für die üblicherweise auf Glaslote zurückgegriffen wird. Diese sind den anspruchsvollen Anforderungen während des Betriebs (Temperaturbereich, Thermozyklen) aber meist nicht über die geforderte Betriebsdauer gewachsen. Des Weiteren führt die Serienschaltung dazu, dass ein schonender Betriebspunkt von der schwächsten Einzelzelle definiert wird. Eine Überwachung aller Einzelzellspannungen ist aufgrund des hohen Aufwandes in praktischen Systemen nicht vorgesehen. Als Konsequenz wird der Stack-Betriebspunkt nur über die Gesamtspannung geregelt. Der Betreiber ist somit hinsichtlich des Zustandes der Einzellzellen quasi „blind“. Dadurch besteht die Gefahr, dass die schwächsten Zellen unterhalb ihrer Grenzspannung betrieben werden und so weiter degradieren. Dieser selbstverstärkende Mechanismus ist inhärent mit der seriellen Verschaltung verbunden, solange keine Einzelzellüberwachung erfolgt.
Vorteile verspricht das hier vorgeschlagene Stackkonzept mit einer parallelen Verschaltung der Einzelzellen. Da hier alle Zellen bei gleicher Spannung betrieben werden, kann durch einfache und kostengünstige Messung einer einzigen Spannung der Betriebszustand aller Zellen ermittelt und überwacht werden. So lassen sich kritische Betriebszustände sicher erkennen und frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen (z.B. Absenken des Laststroms) ergreifen. Gleichzeitig müssen die einzelnen Ebenen nicht mehr elektrisch isoliert abgedichtet werden, so dass Löt- und Schweißverfahren mit metallischen Dichtwerkstoffen für die Abdichtung eingesetzt werden können. Auch hinsichtlich der Ausfallsicherheit ist das Parallelkonzept vorteilhaft: Während bei der Serienschaltung der Ausfall einer Zelle zum Totalausfall des Stacks führt („Lichterketten-Effekt“) reduziert sich bei Parallelschaltung lediglich die zur Verfügung stehende Leistung.
In dem Projekt wurden zwei unterschiedliche Konstruktionsvarianten für SOFC-Hochtemperaturbrennstoffzellen entwickelt: Ein vollkeramisches Konzept mit einem Zellgehäuse aus 3YSZ, das mittels Reactive Air Brazing (RAB) gefügt wurde, sowie ein metallisches Gehäuse aus Crofer 22 APU, das lasergeschweißt wurde.
Durch die Berücksichtigung der jeweiligen Bauteiltoleranzen, ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungkoeffizienten und chemischer Aspekte der verwendeten Materialpaarungen wurde gezeigt, dass das Konzept der parallel verschalteten Doppelzelle mit zwei elektrisch geschalteten Einzelzellen als Wiederholeinheit tragfähig und vielversprechend ist. Mit der Verbindung von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Paarungen mittels RAB könnten die zur Versprödung neigenden Glaslote ersetzt werden. Damit ließe sich auch die Lebensdauer solcher Stacks erhöhen.
In mehreren Aufbauten und einem 1200 Stunden Langzeittest wurde die Leistungsfähigkeit und Robustheit des keramischen Stack-Designs bestätigt. Analysen nach Ende der Versuche zeigten, dass die RAB-Verbindung als gasdichte Verbindung zwischen Metall- und Keramik-Bauteilen geeignet ist, lassen aber noch weiteres Verbesserungspotenzial dieses neuen Stack-Konzeptes erkennen.
Titel:
Entwicklung von Schweißelementen für das Bolzenschweißen mit rotierendem Lichtbogen für die Substitution von Schweißmuttern
Förderung: ZIM
Laufzeit: 03/13-02/15
Abstract:
Ziel des Verbundprojektes war die systematische Weiterentwicklung des vom Verbundpartner HBS entwickelten MARC-(Magnetic-Rotating-Arc)-Schweißprozesses in Richtung auf eine Anwendung zum Verarbeiten von Schweißmuttern, vergleichbar DIN 929 und DIN 934, wie sie millionenfach bei der mittelständischen Industrie beispielsweise im Schaltschrank- und Gehäusebau zum Einsatz kommen. In seiner bisherigen Form bot der MARC-Prozess im Bereich des Bolzenschweißens bereits zahlreiche Vorteile und Alleinstellungsmerkmale, musste aber immer auf das jeweilige Schweißelement abgestimmt werden. Diese weitgehend auf Empirie beruhende Vorgehensweise reichte jedoch nicht aus, um den Prozess an ein für eine erfolgreiche Marktpositionierung erforderliches Spektrum (M6 - M12) nichtsrotationssymmetrischer Teile für Blechdicken von 1-5 mm zu adaptieren, da hierzu grundlegende Kenntnisse zum genauen Prozessablauf und zum Einfluss der Schweißelementgeometrie im Nahtbereich fehlen. Das Projekt diente der Erarbeitung diese Kenntnisse mit dem Ziel der
1. Entwicklung von Schweißelementen geeigneter Geometrie
2. Weiterentwicklung der Gerätetechnik und Qualifizierung des Schweißprozesses
In einem durch statistische Versuchplanung begleiteten Programm wurden Elementgeometrie und Parameterfelder für den Anforderungen entsprechendes, sicheres Verschweißen der Muttern erarbeitet und werden den Anwendern vom Verbundpartner zur Verfügung gestellt.
Titel:
Entwicklung einer NT-PEM-FC mit gedrehter Membran-Plattenebene (ProPa-FC)
Förderung: EFRE
Laufzeit: 01/13– 08/14
Abstract:
Das Ziel ist die Entwicklung einer parallelen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (NT-PEM-FC) mit vertikal angeordneten Membranen und horizontal angeordneten Gasverteilerplatten im Temperaturbereich von 60°C – 80°C auf der Grundlage einer neuartigen Mehrkomponenten-Polymerplatte. Es soll anhand eines kleinen Stacks die Machbarkeit des Konzepts und der Fertigungstechnik geprüft, das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle untersucht und mit Brennstoffzellen, welche als Stand der Technik bezeichnet werden können, verglichen werden. Die Mehrkomponentenkunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einem elektrisch leitenden Kern und einem isolierenden Rahmen bestehen, wodurch neue Konzepte und verbesserte Brennstoffzellen möglich sind. Aus diesem Grund wird vergleichend eine NT-PEM-FC mit üblichem Aufbau entwickelt, bei der ebenfalls dieser neue Mehrkomponentenkunststoff zum Einsatz kommt.
Titel:
Untersuchung zur Flüssigmetallversprödung durch Zink beim Schweißen von neuartigen hochmanganhaltigen Stählen
Förderung: DFG
Laufzeit: 01/12 - 12/14
Abstract:
Die Entwicklung innovativer Werkstoffe wird von den Stahlherstellern konsequent vorangetrieben, um den Forderungen der metallverarbeitenden Industrie bezüglich divergierender Eigenschaften gerecht zu werden. In diesem Zusammenhang wurden hochmanganhaltige Stähle entwickelt, welche sich durch sehr hohe Festigkeiten und Duktilität auszeichnen. Bei der fügetechnischen Verarbeitung dieser Werkstoffe im oberflächenveredelten Zustand ist besonders beim Herstellen von Mischverbindungen in Kombination mit ferritischen Stählen das Phänomen der Lötrissbildung beobachtet worden. Im Rahmen des Vorhabens sollen die Einflussfaktoren für die Lötrissbildung beim Schweißen von hochmanganhaltigen Stählen grundlegend analysiert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird für das Widerstandspunktschweißen ein Fügekonzept erarbeitet, das die Herstellung lötrissreduzierter Verbindungen ermöglichen soll.
Titel:
Entwicklung von Beschichtungen für Bipolarplatten aus Aluminium für Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen mit strömungsoptimierten Kanalstrukturen
(AlBB)
Förderung: ZIM
Laufzeit: 02/12– 01/14
Abstract:
Ziel des Verbundprojektes ist die Nutzbarmachung von bislang nicht einsetzbaren Aluminiumbipolarplatten im Hochtemperatur-PEM-Bereich durch geeignete Beschichtungen. Während die bisherigen teuren und sehr spröden Graphitcompoundmaterialien den anspruchsvollen Bedingungen, aus hohen Temperaturen, Phosphorsäure und hoher Stromstärke gerecht werden, soll nun das Material durch günstigeres Aluminium ersetzt werden um somit auch die besseren Werkstoffeigenschaften, wie Leitfähigkeit, zu nutzen. Die damit einhergehende höhere Effizienz bei gleichzeitigem Einsatz günstigerer Fertigungsverfahren begründet den neuartigen Ansatz.
Das Ziel ist die Entwicklung eines Beschichtungswerkstoffes, der einerseits äußerst korrosionsbeständig ist und andererseits einen geringen elektrischen Übergangswiderstand aufweist. Die größte Herausforderung stellt dabei der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium gegenüber den Beschichtungen dar, die dennoch keinerlei Beschädigung aufweisen dürfen. Dabei kann unter anderem konstruktive die Haftung von Beschichtungen verbessert werden, weshalb die Bipolarplatten simulativ dahingegen optimiert werden.
Titel:
Kornfeinung von Aluminium-Gusslegierungen durch pulvermetallurgisch hergestellte Vorlegierungen
Förderung: ZIM, Berlin
Laufzeit: 12/2009 - 10/2011
Abstract:
Das Ziel des Gemeinschaftsprojektes liegt darin, AlCu-Legierungen durch eine verbesserte Gießbarkeit mittels neuer Kornfeinungsmittel für eine Anwendung bei komplexen und thermomechanisch hoch beanspruchten Bauteilen nutzbar zu machen.
Im Rahmen des Projektes soll eine Systematik entwickelt werden, Kornfeinungsmittel gezielt an die jeweiligen Aluminium-Legierungssysteme anzupassen, um so eine verbesserte Wirksamkeit zu erhalten. Die Zuführung dieser Partikel soll über pulvermetallurgisch hergestellte Vorlegierungen erfolgen, welche durch mechanisches Legieren der Partikel mit einem Trägerwerkstoff und anschließendem Konsolidieren gefertigt werden. Nach Zugabe der Vorlegierung zur Aluminiumschmelze löst sich diese auf, wobei die darin befindlichen höher schmelzenden Partikel in der Schmelze dispergiert werden und als heterogene Keime für erstarrende Phasen dienen. Die Wirksamkeit der Vorlegierungen soll sich neben einer verbesserten Gießbarkeit auch in den mechanischen Eigenschaften widerspiegeln.
Auch sollen alternative Herstellungsverfahren für die Kornfeinungsmittel geprüft werden, welche das Potenzial für eine serienmäßige Herstellung aufweisen. Am Ende soll eine Prozesskette zur Herstellung definiert werden, welche eine effiziente und kostenminimale Produktion ermöglicht.
Neben der TU Clausthal ist auch ein Industrieunternehmen an diesem Forschungsprojekt beteiligt.
Titel:
Nano- bzw. quasi nanostrukturierte Beschichtungen für abrasive und erosive Beanspruchungen – Technologie bestehend aus Zusatzwerkstoff, Energieführung und Brennersystem SUNA; Technologie der Beschichtung, Durchführung und Bewertung tribologischer Versuche, Prozessparameterbestimmung
Förderung: ZIM, Berlin
Laufzeit: 12/2009 - 11/2011
Abstract:
Verschleißerscheinungen verursachen nach Schätzungen der Gesellschaft für Tribologie allein in der deutschen Volkswirtschaft einen jährlichen Schaden mit einem Gesamtvolumen von rund 35 Milliarden Euro.
Sind Verschleißerscheinungen prozessbedingt unvermeidbar, so müssen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit auf den verschleißbeanspruchten Funktionsflächen der betreffenden Anlagen, Maschinen und Geräte entsprechende Verschleißschutzschichten vorgesehen bzw. aufgebracht werden.
Hierzu stehen beispielsweise Hartlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis zur Verfügung, die jedoch im Bezug auf das Verhältnis zwischen Standzeit und Kosten mit den Eisenbasislegierungen nicht konkurrenzfähig sind, so dass gerade deren Einsatz zum kostengünstigen Verschleißschutz als besonders vielversprechend angesehen wird.
Haupteinflussfaktoren auf das Verschleißverhalten von Werkstoffen sind, abgesehen vom angreifenden tribologischen System, neben der Art und Anordnung, die Größe und die Verteilung der verschleißentgegenwirkenden Hartphasen in den Metallmatrizes. Diese Eigenschaften sind von der Legierungszusammensetzung einerseits, andererseits auch von den beschichtungsprozessspezifischen Charakteristika, wie beispielsweise Energieeinbringung, Erstarrungsquerschnitt, Abkühlgeschwindigkeit und Aufmischung des Grundwerkstoffes abhängig und mit modernen legierungs- und prozesstechnischen Maßnahmen zielgerichtet manipulierbar. Insbesondere bei abrasiv-erosiver Beanspruchung durch feine und feinste Partikel sind feinstrukturierte Gefüge entscheidende Träger des Verschleißschutzes, so dass gerade in diesem Einsatzgebiet Nanostrukturen in Eisenbasislegierungen den Anforderungen nach einem kostengünstigen und wirksamen Verschleißschutz nachkommen. Legierungskosten können weiterhin durch alternative Hartphasenbildner gesenkt werden, wobei der Anspruch besteht, mindestens ein gleichwertiges Eigenschaftsprofil zu den konventionellen Hartphasen aufzuprägen.
Die Bereitstellung von einsatzfähigen und tribologisch bewerteten, neuartigen, hochverschleißharten (quasi-) nanostrukturierten Hartlegierungen auf Eisenbasis zum thermischen Spritzen und ausgewählten Auftragsschweißverfahren, kombiniert mit einem neuartigen Brennersystem für PTA-Prozesse und einer angepassten Energieführung sind die wesentlichen Ziele dieses Forschungsvorhabens.
Diese stark praxisorientierte Aufgabenstellung besitzt einen grundlegenden Charakter, da die bislang bekannten theoretischen Grundlagen zur Gefügeentstehung im Bereich der angestrebten Legierungszusammensetzung noch unzureichend sind, so dass der Weg bis zum fertigen Bauteil zwingend über eine umfangreiche Versuchsphase führt.
Neben der TU Clausthal sind ein weiterer Hochschul- und zwei Industriepartner an diesem Forschungsprojekt beteiligt.
Titel:
Untersuchungen zur Erzeugung von partiellen Plattierungen aus Ni-Basislegierungen mit dem Cold-Metal-Transfer-Process (CMT)
Förderung: AiF/DECHEMA
Laufzeit: 01/2010 – 12/2011
Abstract:
Ziel dieses Vorhabens ist die Untersuchung von, mit dem CMT-Prozess erzeugten Plattierungen aus der Werkstoffgruppe der korrosionsbeständigen Nickelbasislegierungen. Dabei sollen Prozessparameter erarbeitet werden, die ein sicheres und reproduzierbares Auftragschweißen verschiedener Nickelbasiswerkstoffe, wie z.B. Alloy 59 (2.4607) und Alloy 686 (2.4606) sowie Alloy 625 (2.4831) als Referenzwerkstoff ermöglichen. Es wird zunächst der Einfluss unterschiedlicher schweißzusatzabhängiger Verfahrensparameter einschließlich der Variation des Schutzgases, Schichtdicke, Abschmelzleistung auf Raupenform, Einbrand, Aufmischung und Gefügemorphologie untersucht. Durch die Bestimmung der mechanisch-technischen Eigenschaften, wie z.B. der Biegefestigkeit und des Härteverlaufes sollen die erzeugten Werkstoffverbünde eingehend qualifiziert werden. Auf der Basis der dabei erhaltenen Ergebnisse erfolgt im Anschluss die Optimierung der Prozessführung bezüglich der unterschiedlichen Werkstoffe in definierten Parameterbereichen zur Erzeugung von einlagigen aufmischungsarmen Beschichtungen. Der Einfluss dieser Schweißprozessparameter auf die Korrosionseigenschaften der hergestellten Plattierungen wird untersucht.
Neben den bekannten Prüfmethoden, bei denen in der Regel Tauchversuche angewandt werden, werden im Rahmen des Forschungsprojektes elektrochemische Prüfverfahren für die Anwendung für Schweißplattierungen von Nickelbasislegierungen auf hochlegierte Stähle modifiziert und weiterentwickelt.
Titel:
Herstellung, Eigenschaftsanalyse und Verschleißverhalten von technischen Oberflächen aus mikrostrukturierten metallischen Werkstoffen und Beschichtungen
Förderung: DFG/ Bonn
Laufzeit: 01/2010 – 12/2011
Abstract:
Verschleiß stellt einen nicht unerheblichen Schaden in der volkswirtschaftlichen Bilanz dar. Bei technischen Oberflächen, die auf Grund von ungeschmierten abrasiven, adhäsiven oder erosiven Verschleißbeanspruchungen starkem Materialabtrag unterliegen, ist die Einstellung spezifischer Werkstoffeigenschaften die einzige Möglichkeit den verschleißbedingten Abtrag zu minimieren. Die Kombination von harten und weichen Gefügebestandteilen mit einem feinkörnigen Gefüge und fein dispersen Ausscheidungen zusammen mit definierten Herstellverfahren und –bedingungen führt zu Werkstoffen und Schichtaufbauten, die an die Verschleißbeanspruchungen angepasst sind. Somit lässt sich der Materialabtrag auf ein Minimum begrenzen.
Der Antrag umfasst die Modifizierung moderner Beschichtungstechnologien zur gezielten Mikrostrukturierung der Werkstoffe, die Qualifizierung der Werkstoffe und Auftragschichten in Hinblick auf ihren Verschleißwiderstand, sowie die Untersuchung von Leichtmetallen, um die Verschleißbeständigkeit dieser Werkstoffgruppe zu verbessern. Zusätzlich werden die Legierungen und Schichtverbunde einer metallurgischen und mechanisch-technischen Eigenschaftsanalyse unterzogen.
Zur Anwendung kommen pulverbasierte thermische Beschichtungsverfahren, wie das PTA-Schweißen und Plasmaspritzen, die sich durch ihre hohe Flexibilität in Bezug auf Pulverzusammensetzung und thermisches Management besonders auszeichnen. Zusätzlich werden die prozessbedingten Vorteile des Heiß-Isostatischen Pressens genutzt, um Verschleißschutzschichten für extreme Belastungen zu entwickeln.
TP 3: Schweißtechnische Generierung von Verschleißschutzschichten mit fein disperser, gerichteter Hartphaseneinlagerung
Für die Verschleißbeständigkeit einer Verschleißschutzschicht aus Hartlegierungen hat die statistische Verteilung der Hartstoffphasen nach Größe, Form und Anordnung einen wesentlichen Einfluss. Bei Angriffen körniger Materialien ist es notwendig, dass der Abstand von Hartphase zu Hartphase geringer ist, als der mittlere Durchmesser der Abrasivpartikel. Neben dem Zeilenabstand kann zudem eine gerichtete Anordnung länglicher Hartphasen die Verschleißbeständigkeit verbessern. Die Erzeugung dieser definierten Gefügemorphologien durch gezielte Eingriffe der Temperatur-Zeit-Zyklen bei der Erzeugung durch PTA-Schweißen der Auftragschichten wird untersucht.
TP 4: Modellverschleißuntersuchungen an unterschiedlichen Schichtsystemen in Abhängigkeit von den herstellungsbedingten Charakteristika
Verschleiß ist eine Systemgröße, die vom mechanisch-physikalischen Gesamtverhalten aller beteiligter Komponenten und ihre gegenseitigen Beeinflussung, sowie von dem wirkendem Verschleißmechanismus abhängt. An Hand ausgewählter Modellversuche soll die Korrelation zwischen Gefügeaufbau und Verschleißverhalten qualitativ und quantitativ untersucht werden. Von besonderem Interesse sind dabei die zu erwartenden Differenzen im Abtragsverhalten zwischen den verschiedenen Modellversuchen, die verschieden Verschleißmechanismen simulieren.
Beteiligte Parner:
TP 1: Herstellung und Eigenschaften neuartiger Beschichtungen mit Pseudolegierungen auf Fe-Basis durch Heiß-Isostatisches Pressen
LWT, RUB Bochum
TP 2: Analyse des Dauerschwingverhaltens beschichteter Werkstoffe mit hoher Verschleißbeständigkeit
IWW, TU-Clausthal
TP 5: Thermisches Spritzen von PTA Werkstoffsystemen
IWW, TU Chemnitz
TP 6: Plasma-Anodisieren thermisch gespritzter Aluminiumschichten zur Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten
IWW, TU Chemnitz
Titel:
Generieren und Fügen von SLM-generierten Bauteilen aus Hartmetall
Förderung: AiF/DVS
Laufzeit: 01.05.2010 - 30.04.2012
Abstract:
Im Werkzeugformenbau und im Maschinenbau tritt Verschleiß an Werkzeugen und Formen auf und führt zu erheblichen finanziellen Nachteilen durch Reparatur sowie Ausfallzeiten der Bauteile. Derzeit werden hauptsächlich zwei Methoden verwendet um dem Verschleiß entgegenzuwirken. Die erste Möglichkeit besteht darin, die entsprechenden Bauteile mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen. In Abhängigkeit vom Verfahren kommt es dabei zu einer negativen Beeinflussung des Grundwerkstoffes sowie zu erheblichem Nacharbeitsaufwand. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Ausführung der Bauteile komplett aus verschleißbeständigen Werkstoffen vorzunehmen. Dies ist jedoch sehr kostenintensiv, da die dazu notwendige Hartbearbeitung sehr aufwändig ist. Eine dritte, im Rahmen des Projektes näher betrachtete Möglichkeit liegt in der Herstellung von Verschleißkörpern aus Hartmetall durch einen generativen SLM (Selektive Laser Melting) - Prozess um diese dann auf kostengünstige metallische Grundkörper zu fügen. Der Vorteil der SLM-Technik ist die Möglichkeit über einen generativen Prozess, ein Funktionsbauteil zu erstellen. Bei der Herstellung der SLM-Bauteile können bereits leichte Variationen der Prozessparameter zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften führen. Zum Fügen von lasergenerierten Hartmetall-Produkten untereinander bzw. mit Substraten wird das Hart- und Hochtemperaturlöten (z.B. Ofenlötung, Plasmalöten (Plasmatron)) dieser Werkstoffkombinationen als sinnvolles Fügeverfahren erachtet. Zum Abschluss des Forschungsvorhabens wird ein, mit den gewonnenen Erkenntnissen erstelltes, im PbA abgestimmtes Demonstratorbauteil gefügt und unter realen Bedingungen getestet. Der vom BIAS und dem ISAF verfolgte Ansatz der stoffschlüssigen Verbindung von Verschleißkörpern und gut bearbeitbaren Grundkörpern bietet neben einem technologisch innovativen Ansatz auch ein wirtschaftliches Potenzial insbesondere für die im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus stark vertretenen kmU.
Titel:
Untersuchungen zur Erzeugung von partiellen Plattierungen aus Ni-Basislegierungen mit dem Cold-Metal-Transfer-Process (CMT)
Förderung: AiF/DECHEMA
Laufzeit: 01/2010 – 03/2012
Abstract:
Ziel dieses Vorhabens ist die Untersuchung von, mit dem CMT-Prozess erzeugten Plattierungen aus der Werkstoffgruppe der korrosionsbeständigen Nickelbasislegierungen. Dabei sollen Prozessparameter erarbeitet werden, die ein sicheres und reproduzierbares Auftragschweißen verschiedener Nickelbasiswerkstoffe, wie z.B. Alloy 59 (2.4607) und Alloy 686 (2.4606) sowie Alloy 625 (2.4831) als Referenzwerkstoff ermöglichen. Es wird zunächst der Einfluss unterschiedlicher schweißzusatzabhängiger Verfahrensparameter einschließlich der Variation des Schutzgases, Schichtdicke, Abschmelzleistung auf Raupenform, Einbrand, Aufmischung und Gefügemorphologie untersucht. Durch die Bestimmung der mechanisch-technischen Eigenschaften, wie z.B. der Biegefestigkeit und des Härteverlaufes sollen die erzeugten Werkstoffverbünde eingehend qualifiziert werden. Auf der Basis der dabei erhaltenen Ergebnisse erfolgt im Anschluss die Optimierung der Prozessführung bezüglich der unterschiedlichen Werkstoffe in definierten Parameterbereichen zur Erzeugung von einlagigen aufmischungsarmen Beschichtungen. Der Einfluss dieser Schweißprozessparameter auf die Korrosionseigenschaften der hergestellten Plattierungen wird untersucht. Neben den bekannten Prüfmethoden, bei denen in der Regel Tauchversuche angewandt werden, werden im Rahmen des Forschungsprojektes elektrochemische Prüfverfahren für die Anwendung für Schweißplattierungen von Nickelbasislegierungen auf hochlegierte Stähle modifiziert und weiterentwickelt.
Titel:
Prototypische Entwicklung einer neuartigen Hochtemperatur-Brennstoffzelle
(H2-HTFC)
Förderung: N-Bank
Laufzeit: 01/2008 - 12/2010
Abstract:
Ziel dieses Vorhabens ist die Herstellung eines funktionstüchtigen Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einfacher und kostengünstiger Bauelemente, der das Potential zu einer Massenproduktion hat. Die in diesen Brennstoffzellen eingesetzten neuartigen Membranen sollen Komposite mit Polymerelektro¬lytmembranen sein, die ohne aufwendige Befeuchtungsregime im Temperaturbereich von 100 bis 160 °C bei hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden können.
Die Brennstoffzelle beruht konstruktiv auf einer graphitpolymer, symmetrischen Grundplatte. Die Strömungskanäle werden am ISAF mit Hilfe von Strömungssimulation entwickelt und optimiert. Ziel ist hier, die elektrochemischen Prozesse in einer HT-PEM realitätsnah abzubilden. Das Assembling von Stacks wird aufgrund ihrer Geometrien eine sichere Gasführung und Gasdichtigkeit des Systems gleichermaßen gewährleisten, bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte.
Des Weiteren führt die Verwendung von thermisch stabilen Membranen mit ausreichender bis guter Leitfähigkeit und hoher thermischer Belastbarkeit zu erhöhtem Wirkungsgrad durch höhere Betriebstemperatur und geringerem Aufwand durch Befeuchtung der Brenngase. Die Polymermembran soll ggf. gleichzeitig als Gasdichtung fungieren, was weitere Einsparpotentiale ergeben würde.
Titel:
Prozess- und Werkstoffuntersuchungen zur schweißtechnischen Fertigung und Qualifizierung von Bauteilen aus Mehrphasenstählen
Förderung: DFG / SFB 362 T6
Laufzeit: 10/2007 – 09/2010
Abstract:
Die Betrachtung der gesamten Prozesskette in der Feinblechverarbeitung ist eine wesentliche Voraussetzung zur Verbesserung der Festigkeitsbeurteilung an Feinblechbauteilen. Insbesondere beim Einsatz von Mehrphasenstählen kommt der Festigkeitseinstellung auch im Bezug auf die Nutzung des Bake Hardening Potentials eine wesentliche Rolle zu. Im Rahmen des beantragten Teilprojektes soll die Schweißprozesssimulation auf der Basis der thermischen Wirkung des Prozesses sowohl experimentell als auch numerisch mit marktgängigen Programmen an Feinblechstrukturen aus Mehrphasenstählen überprüft und beurteilbar gemacht werden.
Titel:
Konstruktionssystematik zur Entwicklung hochfester, lokal angepasster Strukturen mit Hilfe des Finite Elemente Design (FED)
Förderung: DFG / SFB 675 TP C7
Laufzeit: 07/2008 – 06/2010
Abstract:
Das Potenzial lokal eigenschaftsveränderter Strukturen lässt sich in der Praxis am effektivsten nutzen, wenn dem Konstrukteur dieses Wissen bereits in der Konzeptphase des Produktentwicklungsprozesses zur Verfügung steht. Ziel des Teilprojektes C7 ist daher die Entwicklung einer Konstruktionssystematik, die sich am finiten Bauteilelement als kleinste Konstruktionseinheit orientiert (FED-Finite Element Design). Dadurch werden die Potenziale lokaler Eigenschaftsoptimierung berücksichtigt und die Wechselwirkungen zwischen Werkstoff, Fertigung und Gestaltung aufgezeigt. Diese Methodik stellt einen neuartigen Ansatz zur Lösung komplexer Gestaltungsaufgaben dar, wie er bisher noch nicht angewendet wurde. In der ersten Phase des Vorhabens wird die Entwicklung der neuen Konstruktionssystematik (FED) mit Multi Material Design-Bauteilen durch Fügen begonnen und validiert.
Titel:
Werkstoffangepasste Prozessführung bei der schweißtechnischen Verarbeitung lokal verfestigter Werkstoffe zur Herstellung von Knoten und Strukturen
Förderung: DFG / SFB 675 TP B5
Laufzeit: 07/2008 – 06/2010
Abstract:
Die Bedeutung der schweißtechnischen Fertigung für die Produktherstellung hat in der Vergangenheit zu einer stetigen Neu- und Weiterentwicklung von schweiß- und fügetechnischen Prozessen geführt. Diese Tendenz setzte sich in den letzten Jahrzehnten in verstärkter Weise fort. Die Ursache sind die Herausforderungen, die mit der Verarbeitung moderner Stähle (z. B. Dualphasenstähle, TRIP Stähle, Martensitphasenstähle) und Leichtmetalllegierungen verbunden sind. Mit der im Sonderforschungsbereich 675 geplanten Bereitstellung neuer Werkstoffpotentiale durch die gezielte Einstellung lokaler Eigenschaften an modernen Leichtbauwerkstoffen werden an die schweißtechnische Fertigung wiederum neue Herausforderungen gestellt. So gilt es im einfachsten Fall die thermisch instabilen lokalen Eigenschaften der Ausgangshalbzeuge zu erhalten. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit den Fügeprozess selbst zur Verbesserung der Struktur- und Bauteileigenschaften zu nutzen.
Das Hochfrequenzschweißen bietet hervorragendes Potenzial, um die angestrebte Transferierung der lokalen Eigenschaftsanpassungen in das fertige Bauteil durch die Initiierung geeigneter Werkstoffreaktionen zu realisieren. Zum einen ist beim HF-Schweißprozess durch die Wirkung von Skin- und Proximityeffekt eine starke lokale Begrenzung der thermischen Belastung des Grundwerkstoffes vorhanden. Zum anderen bietet die prozessspezifische Kopplung aus Erwärmung und Umformung (Stauchvorgang) die Möglichkeit die Eigenschaften der Schweißnaht entscheidend zu verbessern. Denkbar ist hierbei die Kornfeinung des Schweißnahtgefüges zur Festigkeitssteigerung und Duktilitätsverbesserung, vergleichbar mit einer thermomechanischen Behandlung während der Endformgebung beim Walzen von Stahlbändern oder das bewusste Einbringen plastischer Formänderungen. Eine systematische Untersuchung der qualitativen und quantitativen Möglichkeiten zur Erzeugung definierter Werkstoffreaktionen in HF-Schweißnähten ist daher das Ziel des prozess- und anlagenbezogenen Teilprojektes B5.
Titel:
Wärmearmes Fügen – Fertigung und Schwingfestigkeit gelöteter lokal verfestigter Strukturen
Förderung: DFG / SFB 675 TP C3
Laufzeit: 07/2006 – 06/2010
Abstract:
Um lokal eigenschaftsangepasste Werkstoffe für vielfältige Anwendungen auch unter zyklischer Belastung nutzen zu können, ist zur Dimensionierung ein Lebensdauerberechnungskonzept und zur prozesssicheren Herstellung eine werkstoffangepasste Verarbeitung erforderlich. Hierzu wird für das Lichtbogenlöten die Wechselwirkung von Lötparametern, Lotsystemen und Vor- bzw. Nachbehandlungen untersucht und ein Fertigungskonzept entwickelt. Darüber hinaus wird ein Lebensdauerberechnungskonzept für zyklisch beanspruchte Lötnähte an lokal eigenschafts¬angepassten Werkstoffen erarbeitet und auf gelötete bauteilähnliche Strukturen angepasst.
Titel:
Untersuchungen zum MSG-Flachdraht-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen
Förderung: AIF 13.141 B
Laufzeit: 03/02 – 02/04
Abstract:
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Erarbeitung verfahrenstechnischer Voraussetzungen für das schweißtechnische Fügen von Aluminiumwerkstoffen mit Flachdrahtelektroden. Es wurden detaillierte Untersuchungen zur Prozessstabilität und zum Werkstoffübergang im Impuls- und Sprühlichtbogen in Abhängigkeit von Geometrie und Lage der Fügestelle durchgeführt. Weiterhin wurden unter Variierung der Prozessparameter die Schweißeignung verschiedener Legierungen, die Einsatzmöglichkeiten spezieller Schutzgaszusammensetzungen sowie die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungen ermittelt. Die Eigenschaften der geschweißten Verbindungen wurden darüber hinaus durch metallographische Methoden sowie mit Hilfe mechanisch-technologischer Prüfungen in Abhängigkeit von den verwendeten Grundwerkstoffen, Zusätzen und Schweißprozessbedingungen überprüft.
Die Untersuchungsergebnisse ergänzten sich zu einer industrietauglichen Fertigungstechnologie und sollten so zu einer raschen betrieblichen Einführung beitragen.
Titel:
Metallurgische Untersuchungen zur Entwicklung von Cu- und Ni-Basiszusatzwerkstoffen für den Plasma-Pulver-Lötprozess
Förderung: AiF
Laufzeit: 02/02– 01/04
Abstract:
Neben neuen Werkstoffen erfordert der Leichtbau innovative Fügetechniken, da verbesserte Werkstoffeigenschaften nur wirksam werden können, wenn die Verbindungstechnik die Übertragung der Werkstoffeigenschaften auf die gesamte Struktur erlaubt. Gleichzeitig wächst aufgrund abnehmender Blechdicken die Bedeutung des Korrosionsschutzes. Somit sind Techniken gefragt, mit denen fertigungssicher und wirtschaftlich, bei ausreichender Festigkeit wärme-, verzugs- und spannungsarme Verbindungen herzustellen sind. Gerade hierfür bieten Lötverfahren bei vielen Konstruktionsaufgaben ein enormes Potential. Aufgrund der erreichbaren mechanischen Eigenschaften der vorhandenen Zusatzwerkstoffe beschränken sich jedoch die Anwendungsgebiete auf das Fügen von Tiefziehstählen in niedrigen Festigkeitsbereichen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Schaffung von metallurgischen Voraussetzungen für das Plasma-Pulver-Löten von oberflächenveredelten Feinblechen aus höher- und hochfesten Stahlwerkstoffen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Antrages stellt die Untersuchung der Zusammenwirkung von Prozessenergie, eingesetztem Pulver und den Beschichtungseigenschaften des Bleches auf die Diffusions- und Legierungs-vorgänge sowie Gefügeänderungen in der Naht und im Grundwerkstoff und die daraus resultierenden Nahteigenschaften dar.
Titel:
Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung von Silizium-basierten Hartstoffen zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit
Förderung: AiF
Laufzeit: 03/02– 02/04
Abstract:
Silizium besitzt in der Werkstofftechnik eine hohe Bedeutung. Es wird zu Desoxidationszwecken, zum Legieren und zur Hartphasenbildung eingesetzt.
Die Anwendung von Siliziumkarbid als Hartstoff hat bisher vor allem außerhalb schmelzmetallurgischer Prozesse stattgefunden. So wird Siliziumkarbid als Schleifmittel für hochfeste Werkstoffe eingesetzt. Aber auch für Hochtemperaturkeramiken findet Siliziumkarbid in Verbindung mit verschiedenen Matrixwerkstoffen Verwendung.
Erste Ansätze zur schmelzmetallurgischen Verarbeitung von Siliziumkarbid gibt es bei partikelverstärktem Aluminium. Teilweise wird Siliziumkarbid auch in thermischen Spritzbeschichtungen genutzt.
Schweißmetallurgisch konnte Siliziumkarbid auf Grund der kovalenten Bindung und seiner speziellen Hochtemperatureigenschaften (Zersetzung oberhalb 2500°C) bisher nicht verarbeitet werden. Störend wirkt auch die Reaktionsfreudigkeit von Silizium in metallischen Schmelzen, da sich das Karbid oftmals zu Gunsten anderer Phasen löst. Dabei bietet sich Siliziumkarbid auf Grund seiner hohen Härte und seiner im Vergleich zu den in der Schweißtechnik üblicherweise verwendeten Karbiden niedrigen Dichte vor allem für Verschleißschutzbeschichtungen auf Leichtmetallen an.
Betriebswirtschaftlich sprechen die geringen Herstellungskosten von Siliziumkarbid im Vergleich zu anderen Karbiden für einen Einsatz von Siliziumkarbid auch in Schwermetallbeschichtungen.
Gelingt es, Siliziumkarbid in schweißmetallurgische Beschichtungen fehlerfrei einzubetten, steht ein hohes Potenzial zur Eigenschaftsverbesserung von Verschleißschutzbeschichtungen und zur Kostensenkung zur Verfügung.
Es ist Zielsetzung des Projektes, das metallurgische Verhalten von Siliziumkarbid bei schweißtechnischer Verarbeitung über Auftragschweiß- bzw. Auftraglötprozesse in verschiedenen Matrixwerkstoffen zu untersuchen und geeignete Beschichtungswerkstoffe bzw. –werkstoffsysteme zu entwickeln, die für verschiedene Substratwerkstoffe geeignet sind.
Auf Grund der spezifischen Eigenschaften von Siliziumkarbid – hohe Härte, niedrige Dichte – bieten sich vor allem Leichtmetalle als Substratwerkstoffe an, wobei eine Angleichung der Schmelzpunkte zwischen Substrat und Beschichtungswerkstoff sinnvoll ist. Es werden deshalb Al-Matrixwerkstoffe mit unterschiedlichen Legierungsgehalten verwendet.
Die niedrigen Herstellungskosten von SiC lassen aber ebenfalls einen Einsatz von SiC in anderen Matrixwerkstoffen und für andere Substratwerkstoffe interessant erscheinen. Um Zersetzungserscheinungen des Karbids oberhalb 2500 °C weitestgehend auszuschließen werden in die Untersuchungen deshalb selbstfließende (niedrigschmelzende) NiCrBSi- bzw. NiBSi-Matrixwerkstoffen einbezogen, die im breiten Umfang für Beschichtungen auf Stahlsubstraten angewendet werden.
Als Schweißverfahren sollen das Plasma-Pulver-Verfahren, dass auf Grund der hohen Energiedichte im Plasmastrahl eine konzentrierte Wärmeeinbringung mit geringer Aufmischung gewährleistet, und das MSG-Fülldrahtverfahren, das als kostengünstiges und unkompliziertes Beschichtungsverfahren vor allem unter Baustellenbedingungen vorteilhaft angewendet werden kann, untersucht werden.
Die Anwendung von Siliziumkarbid als Hartstoff in verschleißbeständigen Beschichtungen soll zu spezifisch leichteren Beschichtungen führen, die infolge der niedrigen Herstellungskosten von Siliziumkarbid kostengünstiger als die bisher verwendeten wolframkarbidverstärkten Beschichtungen sind.
Titel:
Nahtgestaltung und Werkstoffreaktionen beim Elektronenstrahlschweißen von Aluminium-Werkstoffen an Atmosphäre
Förderung: AiF
Laufzeit: 03/01– 02/03
Abstract:
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, durch konstruktive und metallurgische Untersuchungen neue Kenntnisse hinsichtlich der Nahtgestaltung und der auftretenden Werkstoffreaktionen beim Hochleistungsschweißen von Aluminiumwerkstoffen mit dem Elektronenstrahl an Atmosphäre (NV-EBW) zu erarbeiten. Es sollte untersucht werden, inwieweit durch die Nahtgestaltung und prozessbedingte Maßnahmen die Güte von Aluminium-Schweißverbindungen verbessert werden kann. Dabei sollte vor allem der Einfluss hoher Schweißgeschwindigkeiten auf die Gefügestruktur, das Ausscheidungsverhalten und die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen berücksichtigt werden, da besonders industrielle Anwender aufgrund des internationalen Kostendruckes Rationalisierungspotential bei den Schweißhauptzeiten nutzen müssen.
Neben der Bestimmung von realistischen Bereichen für die zugrunde zu legenden hohen Schweißgeschwindigkeiten sollten die metallurgischen und werkstoffkundlichen Vorgänge beim Fügeprozess untersucht und darauf aufbauend konkrete Angaben und Anweisungen für die Gestaltung, Auslegung und Durchführung von qualitativ hochwertigen Verbindungen an diesen Werkstoffen abgeleitet werden. Im Vordergrund stand dabei die Aufgabe, eine an den Behandlungszustand des Grundwerkstoffes angepasste Verbindungstechnologie durch eine gezielte thermische Beeinflussung zu ermitteln. Toleranzbereiche und Verfahrensgrenzen sollten gewonnen werden.
Temperatur, Verweilzeit und Abkühlgeschwindigkeit bestimmen maßgeblich den Charakter von metallurgischen Vorgängen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen war daher die Aufklärung der thermischen Vorgänge im Bereich der Schweißnaht bzw. in der WEZ in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand und den Prozessparametern sowie deren Auswirkung auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Naht (statische Festigkeit, Härte, Tiefziehfähigkeit). Hierbei wurde angestrebt, durch Korrelation der prozessbeeinflussenden Größen Kenntnisse über den Aufbau der Gefügestruktur sowie das Ausscheidungsverhalten zu erlangen. Die Ursachen, die zur Verschlechterung der Eigenschaften des Werkstoffs nach dem Schweißen führen, waren zu erfassen und Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität der Schweißverbindungen zu erarbeiten.
Darüber hinaus sollten die Anforderungen an die zu verschweißenden Bauteile hinsichtlich Gestaltung und Vorbereitung erfasst werden. Hierbei wurde angestrebt, die Zusammenhänge zwischen Stoßform, Bauteildicke und Ausgasungsvorgänge der Schmelze und somit der Porenbildung zu erfassen.
Titel:
Metallurgische und korrosionschemische Untersuchungen zur Herstellung von Plasma-Pulver-Nachplattierungen aus Ni-Basislegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 03/01– 02/03
Abstract:
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, korrosionsbeständige Nachplattierungen aus Ni-Basiswerkstoffen geringer Schichtdicke mit dem Hochleistungs-Plasma-Pulver-Schweißverfahren an verbindungsgeschweißten, plattierten Blechen herzustellen, zu untersuchen und hinsichtlich Qualität und Auftragleistung zu optimieren. Die notwendigen Schichteigenschaften sollen dabei bereits in Einlagentechnik mit 2 bis 4 mm Schichtstärke erreicht werden. Hierbei ist auf Grund der erforderlichen Schichtqualität (hohe Korrrosionsbeständigkeit) eine geringe Aufmischung erforderlich. Aus wirtschaftlichen Gründen ist dabei mindestens eine Schweißabschmelzleistung von 12 bis 15 kg/h erforderlich.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen gesicherte Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeit für das Nachplattieren mit dem Hochleistungs-Plasma-Pulver-Auftragschweißen erarbeitet werden. Das Verfahren läßt gegenüber den bisher eingesetzten Verfahren erhebliche Vorteile im Bereich hochbeanspruchter, dünner und hochlegierter Korrosionsschutzschichten erwarten, die eine deutliche Steigerung der Effizienz bringen. Darüber hinaus könnten durch die hohe Schichtqualität und Werkstoffeinsparung sowie die Modifizierung des vorhandenen Hochleistungsbrenners zur Bearbeitung von Rohrnennweiten von 200 mm neue Bereiche für die Fertigung von Bauteilen aus plattierten Blechen erschlossen werden.
Die Substitution der konventionellen Verfahren (RES / WIG) bietet sich vor allem in den Industriesparten an, in denen hochlegierte Beschichtungswerkstoffe wie Ni-Basislegierungen bei sehr hohen Korrosionsanforderungen und verhältnismäßig kleinen Bauteildurchmessern verarbeitet werden.
Titel:
Untersuchungen zur Qualifizierung des Plasma-Pulver-Verbindungsschweißens von Alumimiumfür den industriellen Einsatz
Förderung: AiF
Laufzeit: 03/01– 02/03
Abstract:
Die günstigen Eigenschaften des Aluminiums und seiner Legierungen, wie geringes spezifisches Gewicht, geringe Korrosionsneigung, relativ gute Verformbarkeit und Bearbeitbarkeit sowie gute bis sehr gute mechanisch-technologische Eigenschaften, öffnen den Aluminiumwerkstoffen immer mehr Anwendungsgebiete.
Ebenso wie bei den Stählen gehört auch bei Aluminiumwerkstoffen die Verarbeitbarkeit zu den wesentlichen Eigenschaften, die die Voraussetzung für ein breites Einsatzfeld der Werkstoffgruppe sind. In diesem Zusammenhang spielt die Fügbarkeit, insbesondere die Schweißbarkeit, eine entscheidende Rolle. Für das Schweißen von Aluminiumwerkstoffen hat sich das Schutzgasschweißen durchgesetzt. In Abhängigkeit von der Schweißaufgabe werden sowohl Prozesse mit nichtabschmelzender Elektrode (WIG) als auch solche mit abschmelzender Elektrode (MIG) eingesetzt.
Auch bei den WIG / Plasma-Prozessen wird in der Mehrzahl der Fälle ein Schweißzusatz in Drahtform verwendet. Zudem sind bestimmte Aluminiumlegierungen auf Grund ihrer Heißrissneigung nicht ohne Zusatz schweißbar.
Das Schweißen mit drahtförmigem Zusatz führt durch die externe Drahtzuführung zu den bekannten Nachteilen, wie Schlupf des Drahtes, eingeschränkte Zugänglichkeit und Bewegungsfreiheit, insbesondere bei engen und kleinräumigen Bauteilkonturen sowie komplex aufgebauten Werkstücken.
Eine neue Prozessvariante, die die o.g. Probleme gar nicht aufkommen lässt, stellt das Plasma-Pulver-Verbindungsschweißen dar. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff wird dem Schweißbad über den Brenner zentrisch und stromlos zugeführt. Dadurch lässt sich die Nahtgeometrie, unabhängig von der eingestellten Streckenenergie, beeinflussen. Darüber hinaus weist der Prozess auf Grund der Richtungsunabhängigkeit der Zusatzwerkstoffzugabe einen zusätzlichen Freiheitsgrad auf.
Ziel des Vorhabens war die Qualifizierung des Plasma-Pulver-Schweißens für das Verbinden von Aluminiumwerkstoffen.
Es sollten die Parameter für ein sicheres und reproduzierbares Verbindungsschweißen verschiedener Werkstoffe aus der Gruppe der nichtaushärtbaren Aluminiumlegierungen erarbeitet werden.
Zur sicheren Zerstörung der thermisch stabilen Oxidhaut ist es notwendig, neuentwickelte Plasma-Prozessvarianten in die Untersuchungen einzubeziehen.
Titel:
Untersuchungen zur Entwicklung von ausscheidungshärtbaren Schichten aus Nickelbasis-Superlegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 12/00 – 11/02
Abstract:
Ziel des Forschungsvorhabens war die anwendungsorientierte Legierungsentwicklung von ausscheidungshärtbaren Nickelbasis-Superlegierungen. Die zu entwickelnden Legierungen sollten bereits während des Schweißens Ausscheidungen bilden, damit durch eine relativ einfache, d.h. kurze und bei relativ niedrigen Temperaturen durchzuführende Wärmebehandlung, optimale mechanische Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen erzielt werden können.
Besonderer Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Ermittlung der Ausscheidungsmechanismen, um dem Anwender somit konkrete Hinweise für spezifische Problemlösungen zu liefern, die einen erfolgreichen Einsatz der Legierungen im Hochtemperaturbereich, sowohl in der Instandsetzung als auch in der Neuteilefertigung ermöglichen.
Titel:
Untersuchungen zum Widerstandspunktschweißen von Feinblechen aus neuentwickelten höher- und höchstfesten Stählen
Förderung: AiF
Laufzeit: 10/00 – 12/02
Abstract:
Die mehrphasigen Stähle (DP, TRIP, CP) stellen einen innovativen Werkstoff dar, dem ein breites Anwendungsspektrum in der Zukunft zugesprochen wird. Aufgrund der kombinierten strukturellen Eigenschaften können diese Legierungen in vielen Sparten der Industrie vielseitig angewendet werden. Ihr Einsatz bietet zwar Vorteile, allerdings müssen für den Stahlleichtbau vielfältige Aspekte berücksichtigt werden. Neben der Frage des Werkstoffs spielen hier Gesichtspunkte wie werkstoffgerechte Konstruktion und sichere Fertigungstechnologie eine wichtige Rolle.
Über die schweißtechnische Fertigung und die damit verbundene Schweißeignung der hochfesten Stähle lagen bisher nur unzureichende Erkenntnisse vor. Anfragen aus der Industrie zeigten, dass gegenüber dem Einsatz dieser Werkstoffe in der Serienfertigung, speziell in Verbindung mit dem Widerstandspunktschweißen, einige Vorbehalte bestehen. Während es für konventionelle Stahlwerkstoffe zahlreiche Empfehlungen für die Parametrierung gibt, fehlen diese für die neuentwickelten Werkstoffe naturgemäß noch weitgehend.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AiF-FV-Nr. 12.618N „Untersuchungen zum Widerstandspunktschweißen von Feinblechen aus neuentwickelten höher- und höchstfesten Stahlwerkstoffen“ wurden höherfeste Stahlwerkstoffe der Typen DP, RA, CP und MS in verschiedenen Festigkeitsstufen und Beschichtungsvarianten untersucht. Zur Charakterisierung des schweißtechnischen Verhaltens wurden Schweißbereiche in artgleicher und gemischter Kombination aufgenommen. Eine Anpassung der Schweißparameter hin zu gesteigerten Elektrodenkräften führt in der Regel zu breiteren Strombereichen und zur makroskopisch fehlerfreien Schweißlinsenausbildung. Eine Nachwärmphase äußert sich positiv auf die Härteverläufe der Schweißverbindung. Eine Kaltverformung vor dem Schweißprozess führt durch Festigungssteigerung des Grundwerkstoffes zu höheren Kräften im Scherzugversuch. Ein werkstoffbedingter Einfluss auf die Dauerfestigkeitseigenschaften konnte in den durchgeführten Untersuchungen nicht nachgewiesen werden
Titel:
Vergleichende Untersuchungen zum Einfluß des Hochleistungsstrahlschweißens auf die metallurgischen Eigenschaften von Al- und MG-Legierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 10/00 – 9/02
Abstract:
Das Ziel des Vorhabens bestand darin, schweißtechnische und konstruktive Vorgaben zum Schweißen mit Hochenergiestrahlverfahren (Hochleistungs-Nd-YAG-Laser und Elektronenstrahl an Atmosphäre) von Aluminium- und Magnesiumlegierungen zu erarbeiten. Hierbei sollte vor allem der Einfluss hoher Schweißgeschwindigkeiten von 10 m/min und mehr auf die Gefügestruktur, das Ausscheidungsverhalten und die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen untersucht werden, da besonders industrielle Anwender aufgrund des internationalen Kostendrucks Rationalisierungspotentiale bei den Schweißhauptzeiten nutzen müssen. Grundwerkstoffe waren handelsübliche Druckguss- und Knetlegierungen mit geringer Wanddicke.
Im Rahmen der Untersuchungen sollten die metallurgischen und werkstofflichen Vorgänge beim Fügen ermittelt und darauf aufbauend konkrete Angaben und Anweisungen für die Gestaltung, Auslegung und Herstellung von qualitativ hochwertigen Verbindungen an den Werkstoffen abgeleitet werden.
Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen war die Aufklärung der thermischen Vorgänge in der Wärmeeinflusszone in Abhängigkeit von Werkstoffzustand und Prozessparametern sowie deren Auswirkung auf die Nahteigenschaften hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit und mechanisch-technologischen Eigenschaften (statische und dynamische Festigkeit, Härte). Im Vordergrund stand dabei die Aufgabe, eine an den Behandlungszustand des Grundwerkstoffs angepasste Verbindungstechnologie durch eine gezielte thermische Beeinflussung zu erstellen. Toleranzbereiche und Verfahrensgrenzen sollten ermittelt werden.
Titel:
Untersuchungen zur Schweißbarkeit von ausscheidungshärtbaren Edelstahllegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 5/99 – 4/01
Abstract:
Das Ziel des Vorhabens besteht darin, schweißtechnische und konstruktive Vorgaben zum MSG- und Laserstrahlschweißen von ausscheidungshärtbaren Edelstählen auch im behandelten Zustand zu erarbeiten. Dazu sollen die metallurgischen und werkstoffkundlichen Vorgänge bei dem Fügeprozeß untersucht und darauf aufbauend konstruktive Grundlagen und Kriterien für die Gestaltung, Auslegung und Durchführung von qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen an diesen Werkstoffen abgeleitet werden. Im Vordergrund steht dabei die Aufgabe, eine an den Behandlungszustand des Grundwerkstoffes angepaßte Schweißverbindungstechnologie durch eine gezielte thermische Beeinflussung zu erstellen.
Ein Schwerpunkt der geplanten Untersuchungen ist die Aufklärung der thermischen Vorgänge im Bereich der Schweißnaht, d.h. in der WEZ, in Abhängigkeit von Werkstoffzustand und Prozeßparametern sowie deren Auswirkung auf die Nahteigenschaften hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit und mechanisch-technologischen Eigenschaften (Zähigkeit, Festigkeit, Härte). Hierbei wird angestrebt, durch Korrelation der prozeßbeeinflussenden Größen Kenntnisse über den Aufbau der Gefügestruktur im Bereich der WEZ sowie das Ausscheidungsverhalten zu erlangen. Die Ursachen, die zur Verschlechterung der Eigenschaften des Werkstoffs nach dem Schweißen führen sind zu erfassen und Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität der Schweißverbindungen zu erarbeiten.
Temperatur, Verweilzeit und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmen maßgebend den Charakter der metallurgischen Vorgänge. Das Erstellen von Kriterien zur Beurteilung der kritischen Abkühlbedingungen in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand sind somit ein weiteres Teilziel des Vorhabens.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen soll schließlich ein Modell zur quantitativen Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Wärmeführung im Prozeß, Ausgangswerkstoff und den zu erzielenden Eigenschaften der geschweißten Bauteile erarbeitet werden.
Titel:
Prozessführung und Gestaltungskonzepte für das Fügen komplexer Bauteile
Förderung: DFG / SFB 390 TP B3
Laufzeit: 98/01
Titel:
Superplastische Eigenschaften und Diffusionsschweißen von Magnesiumbasis-Legierungen
Förderung: DFG / SFB 390 TP C1
Laufzeit: 98/01
Abstract:
Über das superplastische Verhalten von Magnesiumlegierungen, die aufgrund ihrer gegenüber Aluminiumwerkstoffen um etwa 40% geringeren Dichte einen weiteren entscheidenden Beitrag zur Gewichtsreduzierung im Leichtbau leisten können, liegen nur wenige grundlegende Erkenntnisse vor. Wie Erfahrungen aus dem Bereich der Aluminium- und Titanlegierungen zeigen ist die Nutzung der superplastischen Eigenschaften gerade für die Werkstoffgruppe der Magnesiumlegierungen durch ihre eingeschränkte Kaltumformbarkeit sinnvoll. Unter Superplastizität wird die Fähigkeit eines Werkstoffes verstanden, beim Aufbringen nur sehr geringer Fließspannungen ohne Einschnürung und praktisch keiner Kaltverfestigung Umformgrade zu ertragen, die die bei "normalplastischen" Werkstoffen üblichen Grenzen von etwa 10 bis 40% um einige 100 bis über 1000% übersteigen.
Im Rahmen der letzten 5 Jahre des laufenden SFB390 sind weitgehende Untersuchungen zu Möglichkeiten der Verbesserung der superplastischen Eigenschaften von Magnesiumbasis-Legierungen durchgeführt worden. Ein Hauptziel war hierbei die Reduzierung der Korngröße im Gefüge auf d<10µm. Zu diesem Zweck sind im Teilprojekt C1 zwei einfache Verfahren entwickelt worden, mit deren Hilfe man durch ein Vorverformen mittels Strangpressen in der Lage ist, die superplastischen Eigenschaften von ZRE1 und AM20-Magnesiumgußlegierungen stark zu verbessern. Die Ergebnisse bestätigen die Annahme, daß die Korngröße hierbei den Haupteinfluß auf die superplastischen Verformungseigenschaften hat. So ist es gelungen, für eine konventionelle ZRE1-Magnesiumlegierung bei einer konstanten Dehnrate von 1,6x10-4 s-1 eine Bruchdehnung von 1050% und für eine konventionelle AM20-Magnesiumlegierung bei einer konstanten Dehnrate von 10-3 s-1 eine Bruchdehnung von 550% zu erreichen. Die stark reduzierte Korngröße hatte zudem zur Folge, daß sich die modifizierten Legierungen nicht nur in ihren superplastischen Eigenschaften sondern auch in Ihren allgemeinen Eigenschaften wie Härte und Zugfestigkeit stark verbesserten.
Titel:
Schweißen unter extremen Bedingungen
Förderung: DFG / SFB 264 TP B3
Laufzeit: 98/01
Abstract:
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden weitreichende Grundlagenuntersuchungen zur Erarbeitung eines Konzeptes für ein Unterwasserschweißsystem im Sinne einer automatisierten Fertigung sowie zur Steigerung der Qualität von unter Wasser geschweißten Nähten durchgeführt. Hierbei gilt es insbesondere, Korrelationen zwischen den Randbedingungen bei druck- und feuchtigkeitsbehafteten Schweißungen und dem resultierenden Prozeß- und Werkstoffverhalten zu erarbeiten.
Titel:
Alternative Werkstoffe zum Drahtbonden im engsten Raster
Förderung: AiF
Laufzeit: 12/98 – 11/00
Titel:
Metallurgische Untersuchungen zum Beschichten dünner Substrate mit Blechen >2 mm
Förderung: AiF
Laufzeit: 12/98 – 11/00
Abstract:
Ziel des Vorhabens ist es, mit dem Plasma-Pulver-Verfahren einlagige Beschichtungen aus Fe- und Ni-Basislegierungen auf dünnen Substraten mit Wanddicken von 2 – 6 mm herzustellen. Weiterhin sollen deren Eigenschaften und die Wirtschaftlichkeit ermittelt werden. Durch eine gezielte Kombination von Legierungszusammensetzung und Pulverzusatz können optimale Schichteigenschaften eingestellt werden. Diese prozeßbeeinflussenden Größen werden erfolgreich während des Vorhabens ermittelt. Um die ermittelten Ergebnisse klassifizieren zu können, werden an handelsüblichen Open-Arc-(OA)-Schweißungen ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Durch die ausgeführten Untersuchungen werden Kenntnisse über die erreichbaren Eigenschaften des Werkstoffverbundes erarbeitet, die den industriellen Einsatz dieses Beschichtungsverfahrens ermöglichen und somit zu einer Gewichtsersparnis bei der Bauteilfertigung führen.
Titel:
Entwicklung eines Beratungssystems für den Oberflächenschutz durch thermisches Spritzen
Förderung: AiF
Laufzeit: 11/98 – 10/00
Abstract:
Das geplante System (Arbeitstitel "SPRIWARE") soll beispielhaft am Plasmaspritzen zeigen, daß eine geeignete Auswahl bzw. Ausgabe von Spritzwerkstoffen möglich ist auf der Basis von tribologischen Systemen (Verschleißteilen mit Gegenkörper, Umgebungs- und Reibungsbedingungen) sowie Spritzprozeß- und Spritzanlagenparametern.
Titel:
Untersuchungen zur Ermittlung von Prozeßwechselwirkungen und zur Beeinflussung von Nahteigenschaften beim kombinierten Plasma-Lichtbogen-Laserschweißen
Förderung: AiF
Laufzeit: 11/98 – 10/00
Abstract:
Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht darin, in praxisnahen Untersuchungen eine Fügetechnik auf Basis des kombinierten Plasma-Lichtbogen-Laserschweißens am Beispiel aufhärtungsempfindlicher Werkstücke sowie des Fügens von Aluminiumlegierungen zu entwickeln, mit der schon bei geringer Strahlleistung eine hohe Produktivität möglich ist. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt der Prozeßuntersuchungen ist die Verbesserung der Spaltüberbrückung, wobei auch der Einsatz von Zusatzdraht geplant ist. Zur Erreichung des Forschungsziels ist zunächst aufbauend auf den Ergebnissen der Voruntersuchungen des Antragstellers ein entwickeltes Hybridschweißsystem an die o.g. Problematik anzupassen.
Titel:
Untersuchung und Optimierung der mechanischen und Korrosionseigenschaften von Schweißverbindungen aus Aluminium-Knetlegierungen in Kombination mit Aluminium-Gusslegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 9/98 – 12/00
Abstract:
Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen die schweißtechnischen und werkstofflichen Grundlagen erarbeitet werden, um die Tragfähigkeit und besonders die Korrosionseigenschaften von geschweißten Komponenten der Kombination Al-Knetlegierung mit Al-Gußlegierung zu verbessern sowie deren Bauteileigenschaften zu ermitteln. Mittels Plasmaschweißen mit variabler Polarität in verschiedenen Positionen werden für den Apparate- und Behälterbau relevante Werkstoffe verbunden. Das Ziel besteht in der Reduzierung der Porenanzahl sowie vor allem in der Verbesserung bzw. Angleichung der Korrosionseigenschaften der Grundwerkstoffe und des Schweißgutes. Elektrochemische Untersuchungen sollen Aufschluß über das Lochfraßverhalten und die Potentialabweichungen der Nahtbereiche geben. Zudem sind Spannungsrißkorrosionsuntersuchungen und Auslagerungsversuche in verschiedenen Medien geplant. Begleitend werden metallographische, analytische und Röntgenuntersuchungen zur Charakterisierung der Gefüge- und Nahteigenschaften durchgeführt.
Titel:
Nutzung von stickstoffhaltigen Hochtemperaturplasmen zum reaktiven Beschichten mittels Plasma-Auftragschweißen
Förderung: AiF
Laufzeit: 8/98 – 7/00
Abstract:
Durch den gezielten Zusatz von Stickstoff zum Plasma- und zum Pulverfördergas beim Plasmaauftragschweißen soll eine Nitrierung von Eisenbasishartlegierungen während des Auftragschweißens und eine Mischkristallverfestigung durch in die Matrix eingelagerten Stickstoff erreicht werden. Durch die reaktive Erzeugung von Hartstoffen im schmelzflüssigem Zustand wird eine feinkörnige Ausscheidung der Hartstoffe und durch die verfahrensbedingt starke Verwirbelung der Schmelze eine homogene Verteilung über den Querschnitt der Beschichtung erwartet.
Ausgehend von einer hohen Sockelverschleißfestigkeit von Fe-Cr-V-Legierungen soll eine Erhöhung der abrasiven Verschleißfestigkeit durch Erhöhung des Hartstoffgehaltes ohne Vergröberung der Hartstoffe, erreicht werden.
Feinkörnige Ausscheidungen sind die Voraussetzung, hochverschleißfester Beschichtungen für Schneiden von Maschinenmessern bzw. ähnlichen Werkzeugen und Verschleißteilen einzusetzen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen verschiedene Verfahrensvarianten des Plasma-Pulver-Auftragschweißens (Plasmalichtbogenverfahren, Plasmastrahl-Plasmalichtbogenverfahren) untersucht werden. Durch variierten Zusatz von Stickstoff zum Plasma- und Fördergas sowie Verwendung unterschiedlicher Schutzgase wird der Einfluß des Stickstoffgehaltes der Arbeitsgase auf den Hartstoffgehalt und den Anteil gelösten Stickstoffs im Matrixwerkstoff untersucht. Über Parameteruntersuchungen sollen optimale Verfahrensbedingungen ermittelt werden.
Anhand von metallographischen, GDOS und TEM-Untersuchungen sollen die entstehenden Nitride bzw. der gelöste Stickstoffgehalt nachgewiesen werden. Über Verschleißuntersuchungen (Schleifpapiertest, Reibradtribometer) und Felderprobungen von Musterwerkzeugen wird die erhöhte Verschleißfestigkeit sowie die Anwendbarkeit der Beschichtungen für Maschinenmesser nachgewiesen.
Titel:
Untersuchungen zum Schweißen von hochlegierten Cr-Ni-Stählen mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden unter Wasser
Förderung: AiF
Laufzeit: 8/98 – 12/00
Abstract:
Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, Untersuchungen zum Aufbau und Einsatz von selbstschützenden Fülldrahtelektroden für das mechanisierte Unterwasserschweißen von hochlegierten Cr-Ni-Stählen durchzuführen und hierdurch Aussagen über den Einfluß der Fülldrahtzusammensetzung und -bauart auf die Metallurgie und damit Eigenschaften der Verbindung zu erhalten. Hieraus sollen Anforderungen an entsprechende Elektroden abgeleitet und ein Konzept für einen geeigneten Fülldraht erarbeitet werden.
Titel:
Metallschutzgasschweißen von Leichtmetallwerkstoffen am Beispiel von Magnesiumlegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 8/98 – 12/00
Abstract:
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, grundlegende Untersuchungen zum Einfluß der Stromquellencharakteristik und der Schweißparameter auf die Prozeßsicherheit beim Schutzgasschweißen von Magnesiumlegierungen durchzuführen. Weiterhin ist die Eignung zum Metallschutzgasschweißen verschiedener Legierungen aus Knet- und Druckgußwerkstoffen zu erkunden. Dabei stehen die Heißrißneigung und die Ausbildung der Schweißnaht einschließlich WEZ, z.B. darin auftretende Ausscheidungen, im Mittelpunkt des Interesses. Als drittes Ziel sollen die statische Festigkeit und die Schwingfestigkeit soweit ermittelt werden, daß zuverlässige Zahlenwerte für die Bemessung von Konstruktionen angegeben werden können. Schließlich ist geplant, gesicherte Aussagen zur Korrosion mit dem Salzsprühnebeltest nach DIN 50 021 zu erarbeiten.
Titel:
Untersuchungen zum Korrosions- und Verschleißverhalten von hartstoffverstärkten Magnesiumlegierungen
Förderung: AiF
Laufzeit: 7/98 – 6/00
Abstract:
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, mit dem Plasma-Schweißverfahren durch Aufschmelzen der Oberfläche unter gezielter Zugabe von Hartstoffteilchen (SiC, TiC, TiB2, ZrB2) korrosions- und zugleich verschleißbeständige Oberflächen auf Magnesiumlegierungen zu erzeugen. Dabei soll geprüft werden, wie sich mit Hilfe der Einlagerung der Hartstoffe unter Anpassung der prozeßbeeinflussenden Größen die Verschleißbeständigkeit und evtl. auch die Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumoberflächen verbessern läßt. Außerdem soll untersucht werden, welchen Einfluß die Einbringung der Hartstoffe auf die Ausbildung des Gefüges und auf das temperatur- und zusammensetzungsabhängige Ausscheidungsverhalten hat.
Titel:
Diffusionsschweißen von Metallen mit ultrafeinkörnigen Keramiken
Förderung: VW-Vorab
Laufzeit: 4/98 – 12/99
Titel:
Untersuchungen zum Lichtbogenschweißen mit hartstoffhaltigen Sinterbandelektroden
Förderung: AiF
Laufzeit: 1/98 – 12/99
Abstract:
Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht darin, mit Hilfe der Lichtbogenschweißverfahren UP, RES und MSG hartstoffverstärkte Auftragschweißschichten herzustellen und anschließend zu untersuchen. Dies soll durch den Einsatz von hartstoffhaltigen Sinterbandelektroden erreicht werden. Durch die Nutzung der Sintertechnologie sollen Hartstoffpartikel, Wolframschmelzkarbide (WSC), in ferritischen und austenitischen Matrixwerkstoffen eingebunden und als Bandelektrode mit den o.g. Verfahren verarbeitet werden.
Titel:
Einfluß der Erstarrungs- und Umwandlungsbedingungen auf den Ferritgehalt und die Ferritmorphologie von metastabilem austenitischem Schweißgut
Förderung: DFG
Laufzeit: 98/99
Titel:
SPP "Mechanismusorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkzeuge" Verbesserung der Lebensdauervorhersage bei mehrachsiger Schwingbeanspruchung durch Berücksichtigung der Mikrorißentstehung und der Mikrorißausbreitung
Förderung: DFG
Laufzeit: 98/99
Titel:
Bestimmung der qualitätsrelevanten Werkstoff- und Prozesskenngrößen für das kombinierte Umformen und Fügen von Feinblech
Förderung: DFG / SFB 362 TP A3
Laufzeit: 98/99
Abstract:
Auf dem Wege zur Prozeßkettenverkürzung und damit der weiteren Kostensenkung in der Fertigung hat ein den örtlichen Beanspruchungen im Bauteil gerecht werdender Werkstoffeinsatz mittels Tailored Blanks mit linearen Nähten bereits große Erfolge erzielt. So konnten Überdimensionierungen gezielt vermieden werden und auch Umform- und Montageschritte eingespart werden. Jedoch hat die Verwendung von Tailored Blanks auch Nachteile, die vor allem in der kostenintensiven Anpassung von Umformwerkzeugen durch z.B. Segmentierung oder Einarbeiten von Aussparungen für die beim Umformvorgang auftretende Nahtverschiebung liegen. Auch muß die Konstruktion der Umformwerkzeuge den unterschiedlichen Blechdicken der verarbeiteten Platinen angepaßt werden, um Faltenbildung bei zu geringer Flächenpressung oder Reißer bei zu hoher Flächenpressung zu vermeiden. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es zudem selten möglich, die Naht auf eine sich nicht ändernde Kontur zu legen (Trajekt). Abhilfe verspricht hier der Einsatz von Tailored Components mit nicht-linearen Nähten und die Verwendung von Kontur-Schweißungen. Der Begriff Tailored Components umfaßt dabei nicht nur Bauteile, die in der Fertigungsfolge Schweißen-Umformen hergestellt worden sind, sondern auch den umgekehrten Ablauf, wodurch z.B. Platinen mit den bereits vorhandenen, herkömmlichen Maschinen und Werkzeugen umgeformt werden und anschließend durch Konturschweißungen gefügt werden. Diese Vorgehensweise bietet folgende Vorteile: Es können durch Verwendung nicht-linearer Nähte und Konturen kostenoptimierte Bauteile hergestellt werden, die mit bisherigen Fertigungsmethoden nicht herstellbar waren; der teure Umbau von Umformwerkzeugen inklusive langwieriger Try-Out-Phase aufgrund des Einsatzes von Tailored Blanks entfällt bei Konturschweißungen und zusätzlich wird dem starken Trend in der Industrie zur Modulbauweise Rechnung getragen.
Im besonderen Maße für die Herstellung von nicht-linearen Nähten und Konturschweißungen geeignet ist das Hochfrequenzschweißen aufgrund der einfachen Nahtvorbereitung, des geringen, apparativen Aufwandes und der sehr hohen Schweißgeschwindigkeit von bis zu 1m pro 1s. Somit kann das Verfahren in den laufenden Takt moderner Pressenstraßen eingebunden werden.
Titel:
Quetschnahtschweißen von Feinblech – Werkstoff- und prozessbezogene Simulation und Wechselwirkungen mit dem Umformprozeß
Förderung: DFG / SFB 362 TP B6
Laufzeit: 98/99
Abstract:
Das Konzept der im Teilprojekt B6 entwickelten prozeßintegrierten Nachbehandlung von Quetschnähten hat sich als sehr effektiv erwiesen. Die Ausnutzung der Schweißwärme beim Nachglätten ergibt eine deutlich bessere Umformbarkeit als bei einem kalten Nachglätten.
Die nachgeschaltete Wärmebehandlung der Schweißnaht erweist sich nur dann als sinnvoll, wenn die Quetschnaht nachgewalzt worden ist. Ohne das Einebnen der Nahtüberhöhung sind die Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Quetschnähte derart gut, daß eine Wärmebehandlung nicht erforderlich ist. Das induktive Verfahren zur Wärmebehandlung erweist sich als sehr effektiv. Durch eine geeignete Abstimmung von Induktorgeometrie, Abstand zum Werkstück und Arbeitsfrequenz ist es möglich, gezielt den Nahtbereich zu erwärmen, ohne den Grundwerkstoff thermisch zu beeinflussen. Trotz der extrem kurzen Haltezeiten von nur maximal drei Sekunden, konnte eine deutliche Verbesserung der Härtewerte, Zugfestigkeiten und Umformbarkeit nachgewiesen werden. Am Beispiel von drei unterschiedlichen Stählen konnte gezeigt werden, daß gewalzte nachgewärmte Quetschnähte eine dem Grundwerkstoff mindestens gleichwertige Umformbarkeit aufweisen. Durch die Nachbehandlung der Nähte wird die Zeitfestigkeit nicht beeinträchtigt oder sogar verbessert.
Titel:
Grundlagen für die Reaktionstechnik, die Auslegung und den Bau von Ultraschallreaktoren
Förderung: DFG / SFB 180 TP B14
Laufzeit: 98/99
Abstract:
Im Rahmen des Vorhaben analysiert das Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren die bei Kavitation vorherrschenden Verschleißmechanismen mit dem Ziel der Auswahl und Optimierung von Werkstoffen für den Einsatz als Sonotroden- und Reaktorwerkstoff in Ultraschallreaktoren. Durch Prüfung nach ASTM G32-85 werden dabei unterschiedliche Werkstoffe für das Reaktor-Core sowie der Einfluß unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen - PVD und CVD-Dünnschichten, Laserbehandlungen - bei der häufig in der Ultraschalltechnik als Sonotrodenwerkstoff eingesetzten Titanlegierung TiAl6V4 hinsichtlich des Kavitationswiderstandes gegen direkte und indirekte Kavitation untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt sind Untersuchungen des lokalen Kavitationsverhaltens von Schweißnähten an den Reaktorwerkstoffen sowie des Einflusses der Herstellparameter auf das Verschleißverhalten. Als Versuchsmedien dienen destilliertes Wasser und die bei einer Phasentransferkatalyse in einem US-Reaktor verwendeten Flüssigkeiten. Ziel ist durch gezielte Oberflächenmodifikation bzw. Prozessführung bei der schweißtechnischen Herstellung die Lebensdauer von Ultraschallrektoren durch Minimierung des Verschleisses infolge Kavitation deutlich zu erhöhen.
Titel:
Elektronenstrahlschweißen von Feinblechwerkstoffen an der Atmosphäre – Grundlegende Untersuchungen zum Werkstoff- und Prozessverhalten
Förderung: DFG / SFB 362 TP B9
Laufzeit: 98/99
Abstract:
Das Elektronenstrahlschweißen an freier Atmosphäre (NV-EBW) stellt eine Schlüsseltechnologie dar, die sich für einige Anwendungsgebiete in der Großserie zu etablieren beginnt. Dieses Verfahren substituiert nicht nur die konventionellen Bearbeitungstechniken, sondern bietet auch hervorragende Ansätze zur Herstellung wirtschaftlicher und qualitative hochwertiger Schweißverbindungen an Feinblechwerkstoffen. Aufgrund der hohen Leistungsdichte läßt sich die Wärmeführung gezielt beeinflussen. Durch die geringere thermische Belastung bleibt das Schmelzbad klein und die Wärmeeinflußzone schmal, was gute Nahteigenschaften verspricht. Das Verfahren zeichnet sich außerdem durch eine hohe Prozeßgeschwindigkeit, eine gute Integrierbarkeit in Fertigungslinien und eine einfachere Handhabung als das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum aus, da die Nebenzeiten zum Vakuumerzeugen entfallen. Weiterhin ist der Einsatz von Zusatzwerkstoffen für die Vermeidung von Randkerben und Nahteinfällen bei dünnen Komponenten oder für das Fügen von nicht artgleichen Metallen praktisch einfacher zu realisieren. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ergibt sich der entscheidende Vorteil des NV-EBW im Vergleich zu derzeitigen Hochleistungslasern vor allem durch die niedrigeren Betriebskosten sowie den höheren Wirkungsgrad bei der Strahlerzeugung.
Titel:
Untersuchungen zur Beeinflussung von Prozessverhalten und Nahteigenschaften durch Einsatz dosierter Schweißzusätze beim Metall-Aktivgas-(MAG)-Hochleistungsschweißen
Förderung: DFG
Laufzeit: 98/99
Abstract:
In dem beantragten Forschungsvorhaben sollen grundlegende Untersuchungen zum Einfluß der Drahtelektrode unter Berücksichtigung der Schutzgaszusammensetzung auf die Nahtausbildung und die Porenbildung im Speziellen beim Hochleistungs-MAG-Schweißen für höhere Drahtvorschubgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Dabei steht die grundlegende Erforschung der gezielten Beeinflussung der Abläufe im Schweißbad durch den Einsatz basisch dotierter Schweißzusätze im Vordergrund. Hierfür sollen die Auswirkungen der basischen Elemente im Schweißzusatz auf die Schweißbadausbildung näher untersucht werden, wobei vor allem den Vorgängen an der Oberfläche eine besondere Bedeutung zugemessen wird. Diese sollen u.a. durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zugänglich gemacht werden. Aus schweißtechnischen und metallurgischen Gründen ist es sinnvoll, die Effizienz der Dotierung zu optimieren, so daß mit minimalen Anteilen basischer Zusätze die gewünschten Phänomene erzielt werden können.
Aufbauend auf diesen Grundlagenuntersuchungen soll überprüft werden, in welchem Umfang der Einsatz spezieller Fülldrahtelektroden mit geringem basischen Anteil möglich und sinnvoll ist. Ferner soll auf der Basis der Voruntersuchungen die Möglichkeit der Einbindung basischer Schlackebildner in einen Massivdraht verstärkt untersucht werden.
Neben den grundlegenden Untersuchungen zu werkstoffspezifischen Eigenschaften der dotierten Drahtelektrode und den Einflüssen auf die schweißtechnischen Parameter, sind weitere qualitätsbestimmende Problemstellungen zu betrachten. Diese betreffen Verfahrens- und Zusatzwerkstoffspezifische Aspekte wie Drahtaufbau, Steifigkeit und Deformationseinfluß, das Drahtförderverhalten, Anforderungen an Stromübertragung und Kontaktrohrabstand zwecks Erzielung reproduzierbarer Einbrandprofile und entsprechender Nahtgüten. Durch die systematischen, wissenschaftlichen Untersuchungen sollen die bestimmenden Parameterabhängigkeiten geklärt werden, wobei noch vorhandene Kenntnislücken im Bereich basisch dotierter Schweißzusätze geschlossen werden müssen.
Außer den wissenschaftlichen Erkenntnissen, wird von den Untersuchungen auch ein Impuls für weite Bereiche der Schweißtechnik erwartet. Dies betrifft zum einen ein besseres Verständnis für die Vorgänge im Schweißbad und daraus resultierende Entwicklungen. Im konkreten Fall könnte eine Umsetzung der Ergebnisse zu einem späteren Zeitpunkt zu einer Erweiterung des Anwendungsgebietes der MAG-Hochleistungsschweißverfahren und damit zu einer Verbesserung der Marktchancen deutscher Unternehmen führen.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen es ermöglichen, die Effizienz bzw. die Qualität von MAG-hochleistungsgeschweißten Verbindungen zu erhöhen und somit die Wirtschaftlichkeit der MAG-Hochleistungsverfahren sowie die Wettbewerbsfähigkeit auszubauen. Hierbei soll es bei Abschmelzleistungen von über 23 m/min mit 1,2 mm-Drähten – vergleichbar der Qualität SG2 – ermöglicht werden porenfreie, qualitativ hochwerige Nähte herzustellen, um auch in Bereichen, in denen röntgensichere Schweißverbindungen gefordert werden müssen, die Leistungsfähigkeit des Schweißprozesses bei gesicherter Nahtgüte und damit die gesamte Fertigungseffizienz zu erhöhen.
Titel:
Oberflächenmodifikation durch vakuumtechnisches Beschichten von Goldfeinstdrähten zur Verbesserung der Ultraschallschweißbarkeit bei niedrigen Verfahrenstemperaturen
Förderung: DFG
Laufzeit: 98
Titel:
Werkstoffbezogene numerische Simulation thermischer Prozesse in der Produktionstechnik
Förderung: DFG
Laufzeit: 1/97 - 12/99
Abstract:
In diesem Teilprojekt wird das Ziel verfolgt, die numerische Simulation des Werkstoff- und Prozeßverhaltens beim Schmelzschweißen zu realisieren, wobei die methodische, durchgängige Betrachtungsweise vom Fügeprozeß in seiner Gesamtheit im Mittelpunkt steht. Dies bedeutet, daß eine ganzheitliche Betrachtungsweise und Lösungsmethodik für das System Werkstoff/Schweißprozeß angestrebt wird, um eine Grundlage für eine Vorhersage der geeigneten Prozeßparameter sowie der Nahteigenschaften zu schaffen.
Titel:
Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage randschicht-nitrierter Titanlegierungen unter Berücksichtigung der Bruchmechanischen Modellbildung des Kurzrißverhaltens
Förderung: DFG
Laufzeit: 7/97 - 7/99
Abstract:
Aufgabe der mechanismenorientierten Lebensdauervorhersage ist es, die während einer zyklischen Beanspruchung im Werkstoff ablaufenden mikrostrukturellen Ermüdungsprozesse zu modellieren und direkt mit Lebensdauervorhersagen zu verbinden. Als Modellwerkstoffe bieten sich für diese Aufgabe randschichtnitrierte Titanlegierungen an. Derartige Werkstoffe besitzen ein hohes Innovationspotential für den Einsatz bei kombinierten dynamischen und tribologischen Beanspruchungen. Gleichzeitig beeinflussen die Randschichtbehandlungen das Ermüdungsverhalten, wobei sowohl hinsichtlich der Ermüdungsmechanismen als auch hinsichtlich der Lebensdauervorhersage ein erhebliches Wissensdefizit besteht.
Ziel des Vorhabens ist es, Grundlagen für eine mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage randschichtnitrierter Titanlegierungen zu erarbeiten. Dazu sollen mit Hilfe der Verfahren Plasmanitrieren und Lasernitrieren Randschichtzustände mit deutlich unterschiedlichen Randzonen- und Kerneigenschaften eingestellt werden, so daß sich bei zyklischer Beanspruchung voneinander abweichende, mikrostrukturelle Ermüdungsvorgänge einstellen. Deren jeweils vorherrschende Mechanismen sind mit Hilfe analytischer und experimenteller Methoden bei einstufiger Zug-Druck-Wechselbeanspruchung mit variablen Spannungsverhältnissen zu analysieren und in einem Kurzrißfortschrittsmodell abzubilden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen soll ein Konzept erarbeitet werden, das es ermöglicht, die bruchmechanischen Ansätze in die Lebensdauervorhersage für eine einstufige, mittelspannungsbeaufschlagte Beanspruchung zu übertragen. Es wird erwartet, daß im Rahmen des beantragten Vorhabens grundlegende Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten von Randschichtverbunden, zum Einsatzpotential von randschichtnitrierten Titanlegierungen und zur Qualifizierung der eingesetzten Randschichtverfahren erarbeitet werden können.