Festphase-Fügeprozesse
Festphase Fügeprozesse, Foto: HZG
Festphase Fügeprozesse stehen im Zentrum der Aufmerksamkeit der Wissenschaftler und Ingenieure, die sich mit modernem Leichtbau befassen. Der Hauptgrund dafür liegt in der Natur dieser Prozesse: Da das Verfahren und das Fügen in der Festphase stattfindet, werden die metallurgischen Reaktionen des Schmelzens und der darauf folgenden Erstarrung vermieden, was in defektfreie Verbindungen mit besseren Leistungsmerkmalen resultiert.
Kernkompetenz Rührreibschweißen
Rührreibschweißen und verwandte Verfahren gehören zu den Kernkompetenzen, bei denen HZG eine international führende Position einnimmt. Diese Verfahren ermöglichen ein hohes Maß an Freiheit, Materialien sowie Werkstoffe zu modifizieren, zu beschichten, oder gleiche sowie artfremde Werkstoffe zu verbinden, falls andere Prozesse und Verfahren ungeeignet sind.
Die meisten Prozessanlagen wurden in-house selber entwickelt. Die Optimierung von Festphase Fügeprozessen für Anwendungen im industriellen Leichtbau ist in hohem Maße von neuer and verbesserter Hochpräzisions-Hardware und moderner Bedienungssoftware abhängig. Die Abteilung Festphase Fügeprozesse nimmt diese Herausforderungen gerne an.
Profil
ICJ, Foto:HZG/Christian Schmid
Die Abteilung Festphase-Fügeprozesse ist Bestandteil des Instituts für Werkstoffforschung und bearbeitet grundlagen- und anwendungsorientierte Forschungsthemen auf dem Gebiet der Reibschweißtechnologie für Fügen und Beschichten. Die Forschungsaktivitäten in diesem Bereich umfassen folgende Verfahren:
- Rührreibschweißen (Friction Stir Welding - FSW)
- Rührreibpunktschweißen (Friction Stir Spot Welding - FSSW)
- Reibpunktschweißen (Friction Spot Welding - FSpW)
- Reibbolzenschweißen (Friction Hydro Pillar Processing - FHPP)
- Reibauftragschweißen (Friction Surfacing)
- Hybrid Friction Diffusion Bonding (HFDB)
- Rotationsreibschweißen (Rotational Friction Welding)
- Reibnieten (Friction Riveting)
- Injection Clinching Joining
Mit der Erarbeitung fügetechnologischer Problemlösungen und Konzepte für die nationale und europäische Industrie wird im Programmtopic "Mechanik und Fügen von Leichtbauwerkstoffen" ein bedeutender Beitrag zum Programm "Funktionale Werkstoffsysteme" im Helmholtz Forschungsbereich "Schlüsseltechnologien" geleistet.
Geschichte der Abteilung
Die Abteilung Festphase-Fügeprozesse beschäftigt sich seit Anfang der 90er Jahre mit reibschweiß-basierten Prozessen. Hierbei wurden zuerst Untersuchungen an radial-reibgeschweißten (speziell für das Fügen von Rohren entwickelten) Ti- und Stahlwerkstoffen durchgeführt.
Mitte der 90er Jahre wurden das Friction Hydropillar Processing (FHPP) und das Bolzenschweißen, mit Schwerpunkt auf Titan- und Stahlwerkstoffen, aufgenommen. Zu gleicher Zeit wurden die ersten Untersuchungen am Friction Surfacing (FS, Reibauftragsschweißen) initiiert, das eine breitere Palette von Werkstoffen beinhaltete (Titan-, Nickel- und Aluminium-Legierungen, Nickel-Aluminium-Bronze und korrosionsbeständige Stähle).
In 1996 begannen die Forschung und Entwicklungs (F&E) -Aktivitäten mit dem Friction Stir Welding (FSW, Reibrührschweißen).
In 1999 wurden dann das Friction Stir Spot Welding (FSSW, Reibrührpunktschweißen) und das Friction Spot Welding (FSP, Reibpunktschweißen) zum Patent angemeldet.
In den letzten Jahren wurden drei neue Verfahren entwickelt, die im Rahmen von zwei Promotionen untersucht wurden: Hybrid Friction-Diffusion Bonding (HFDB), FricRiveting und Injection Clinching Joining (ICJ).
Beim FSW und verwandten Verfahren werden in erster Linie Aluminium- und Magnesium-Legierungen und hochfeste Stähle untersucht, wobei auch Titanlegierungen und korrosionsbeständige Stähle (bei HFDB) sowie Polymere (bei FricRiveting und ICJ) als Reib- oder Fügepartner fungieren.
Mit Ausnahme des ICJ-Verfahrens basieren die oben genannten Fügeverfahren auf ähnlichen physikalischen und metallurgischen Vorgängen.
Diese Singularität erlaubt eine einfache Darstellung der zugehörigen wissenschaftlichen Themen (Tabelle 1)
Wissenschaftliche Themen
Wissenschaftliche Themen auf den Gebieten Werkstoff, Prozess und Eigenschaften bei der Gruppe Festphase Fügeprozesse (Tabelle 1).
| Metallurgie | Prozesse | Eigenschaften |
|---|
| Hochtemperatur Plastizität | Verständnis der Bindemechanismen | Kennwertermittlung |
| Erholung und Rekristallisation | Energiebilanz bei Festphase Fügeprozesse | Versagensmechanismen von Fügeverbindungen |
| Unformbarkeit | | Eigenspannung und Verzug |
| Ausscheidungsvorgänge | | |
| Phasenumwandlung | | |
| Diffusionsvorgänge | | |
| Grenzflächen- und Oberflächenvorgänge | | |
Technologische Themen
Sie sind mit den wissenschaftlichen Themen eng verknüpft und werden in der Regel in Zusammenarbeit mit der Industrie untersucht (Tabelle 2).
| Technologische Themen | |
|---|
| FSW: | * Untersuchung der Schweißbarkeit von Mischverbindungen: Stahl/Mg-Legierungen, Stahl/Al-Legierungen
* Fehlerentstehungsmechanismen beim FSW von Al-Legierungen
* Reparatur von FSW-Verbindungen
* Entwicklung der Bobbin-Tool-Technologie für Al-Legierungen
* Umformverhalten von FSW-Verbindungen
* Produktivitätssteigerung beim FSW (High Speed FSW)
* Untersuchung der Schweißbarkeit von modernen Stählen beim FSW |
| Friction Stir Processing: | Oberflächenfunktionalisierung |
| Polymer-Metall-Verbindungen: | Prozesstechnologie und Eigenschaften der Verbindungen |
| FHPP von Leichtmetallen: | Prozesstechnologie und Eigenschaften der Verbindungen |
| Friction Surfacing: | Entwicklung von Verbundschichtwerkstoffen und entsprechender Prozesstechnologie |
| Hybrid Friction-Diffusion Bonding (HFDB): | Prozesstechnologie und Eigenschaften der Verbindungen |
| Friction Spot Welding: | Prozesstechnologie und Eigenschaften der Verbindungen |
