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EFB-Forschungsbericht Nr. 166

Innendruckumformen von Aluminiumdoppelplatinen mit Gestalt bestimmender Laserstrahlschweißnahtanordnung

efb166

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.mult. Friedhelm Lierath, Prof. Dr.-Ing. Andreas Eichhorn, Dipl.-Ing. Dirk Bietke, Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.mult. Dr.med h.c. Heinz Haferkamp, Dr.-Ing. Andreas Ostendorf,Dipl.-Ing. Axel Bormann, Laser Zentrum Hannover e.V

128 Seiten (Sw 98, teil farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-293-9

Preis (Digital) EUR 63,00

Preis (Print) EUR 70,60

Zusammenfassung

Im vorliegenden Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben „Innendruckumformen von Aluminiumdoppelplatinen mit gestaltbestimmender Laserstrahlschweißnahtanordnung“ wird über neue Erkenntnisse zur Herstellung von Flachhohlformteilen durch die Fertigungsstufen „Schweißen“ und „Umformen“ berichtet. 

Im schweißtechnischen Berichtsteil wird das Überlappschweißen von Aluminiumdoppelplatinen mit Laserstrahlung dargestellt. Dabei kamen CO2-Gaslaser bis 6 kW und Nd:YAG-Festkörperlaser bis 4 kW Strahlleistung zum Einsatz. Es wurde eine Prozesstechnik entwickelt, die das Erzeugen mäanderförmiger Schweißnähte aufeinanderliegender Bleche bei gleichzeitigem Spannen ermöglicht. Unter exakter Einhaltung der Prozessparameter ist eine nahezu ausschussfreie Fertigung von mediendichten Aluminiumdoppelplatinen möglich. Die Prozesssicherheit konnte dabei gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht werden. Damit steht eine Technologie zum Überlappschweißen von Aluminiumplatinen aus Reinaluminium zur Verfügung, die eine Variation der Kanalformen für die Herstellung von Wärmetauscherprototypen in kurzer Zeit sicher stellt. 

Im umformtechnischen Berichtsteil werden im Stand der Technik alternative Herstellungstechnologien für Flachhohlformteile dargestellt. Dabei werden sowohl mechanische als auch hydraulische Verfahren in die Betrachtungen einbezogen. Außerdem wird auf den gegenwärtigen Erkenntnisstand zum Umformen von geschweißten Aluminiumdoppelplatinen eingegangen. 

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden zunächst umfangreiche Untersuchungen an Proben mit ausschließlich geradem Kanalverlauf (Gerade Zylinder) durchgeführt. Schwerpunkte waren die Analyse des Umformvorganges, die Kanalgeometrie sowie die Härte- und Wanddickenverteilung im Kanalquerschnitt. Mit den Erkenntnissen dieser Arbeiten wurden anschließend Untersuchungen an Proben mit gekrümmtem Schweißnahtverlauf durchgeführt. Es kamen 90°-gebogene, 180°-gebogene (2 parallele Zylinder) sowie 2x180°-gebogene Kanalverläufe (3 parallele Zylinder) zur Anwendung. Inhalt der Untersuchungen an Proben mit gekrümmtem Schweißnahtverlauf waren jeweils die Analyse der im Flanschbereich auftretenden Spannungen und deren Auswirkungen auf die Form- und Maßhaltigkeit des Werkstückes sowie die Ausbildung der Kanalgeometrie entlang des Kanalverlaufes unter verschiedenen Umformbedingungen. Abschließend wurden Untersuchungen an einem praxisnahen Werkstück durchgeführt. An diesem Beispielteil konnten Richtlinien zur Gestaltung der Umformbedingungen (Abstützungen im Flanschbereich, Höhenbegrenzungen usw.) unter Einbeziehung der sich ausbildenden Kanalgeometrien herausgearbeitet werden.

Mit den dargestellten Ergebnissen zur Umformung laserstrahlgeschweißter Aluminiumdoppelplatinen werden Möglichkeiten und Grenzen für die Anwendung dieser Technologie zur Herstellung von Flachhohlformteilen aufgezeigt. Darüberhinaus wurde eine Datenbasis (Innendrücke, Kanalquerschnitte, Umformbedingungen) für grundlegende Formen von Kanalverläufen geschaffen.

Das Forschungsvorhaben „Innendruckumformen von Aluminiumdoppelplatinen mit Gestalt bestimmender Laserstrahlschweißnahtanordnung“ wurde unter der Fördernummer AiF 11789B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 166 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhaltsverzeichnis

0 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Einheiten
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Schweißtechnik
2.1.1 Laserstrahlschweißen
2.1.2 Laserstrahlschweißeignung von Aluminium
2.1.3 Prozessinstabilitäten
2.1.4 Wasserstoffinduzierte Poren
2.1.5 Doppelfokustechnik
2.2 Umformtechnik
2.2.1 Mechanische Verfahren
2.2.2 Hydraulische Verfahren
2.2.3 Umformen von Doppelplatinen
2.2.4 Umformverhalten geschweißter Aluminiumdoppelplatinen
3 Zielstellung
4 Technologischer Fertigungsablauf
5 Untersuchungsprogramm - Schweißtechnik
5.1 Anforderungen an die Schweißnähte
5.2 Anforderungen an den Bearbeitungskopf für das Laserstrahlschweißen
5.3 Laserschweißarbeitskopf mit drehbarer Gaszuführung
5.3.1 Konstruktion des Arbeitskopfes
5.3.2 Bewertung des drehbaren Arbeitskopfes:
5.4 Arbeitskopf mit fester Gasführung
5.4.1 Konstruktion des Laserstrahlarbeitskopfes mit fester Gaszuführung
5.4.2 Bewertung des Arbeitskopfes mit fester Gaszuführung
5.5 Schweißversuche mit CO2-Laserstrahlung
5.6 Schweißversuche mit Nd:YAG-Laserstrahlung
5.6.1 Rofin Sinar CW020 mit drehbarem Arbeitskopf
5.6.2 Laserstrahlquellen mit hoher Strahlqualität
5.6.3 Einflussgrößen auf die Prozessstabilität:
5.6.4 Einschränkungen aus dem Formenschweißen
5.6.5 Schweißnahteigenschaften
5.7 Prozessfenster
5.8 Werkstoffkombinationen
5.9 Hinweise für die Praxis
6 Untersuchungsprogramm - Umformtechnik
6.1 Versuchsprogramm
6.1.1 Versuchsplan
6.1.2 Versuchsmaterial
6.1.3 Fertigungsmittel
6.1.4 Messgrößen, Messverfahren
6.2 Untersuchungsergebnisse
6.2.1 Theoretische Vorbetrachtungen
6.2.2 Proben mit geradlinigem Schweißnahtverlauf (Gerade Zylinder)
6.2.2.1 Kanalgeometrie
6.2.2.2 Wanddickenverlauf
6.2.2.3 Härteverlauf
6.2.2.4 FEM-Simulation
6.2.3 Proben mit gekrümmtem Schweißnahtverlauf
6.2.3.1 Proben - 90° gebogen
6.2.3.2 Proben - 180° gebogen (2 Zylinder)
6.2.3.3 Proben – 2x180° gebogen (3 Zylinder)
6.2.4 Praxisnahes Teil
6.2.4.1 Gestaltung des praxisnahen Teiles
6.2.4.2 Experimentelle Untersuchungen
6.2.4.3 FEM-Simulation
7 Richtlinien und Hinweise für den Anwender
8 Zusammenfassung
9 Literaturverzeichnis