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EFB-Forschungsbericht Nr. 097

Fügen von Blechen und Halbzeugen aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen mit modernen Schutzgasschweißverfahren unter besonderer Berücksichtigung der erreichbaren Festigkeit und der zulässigen Fert

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey, Dipl.-Ing. Markus Kessel, Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dipl.-Ing. Holger Letsch, Institut für Fügetechnik / Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz/Zwickau

228 Seiten (Sw 142 Abb., 35 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-134-5

Preis (Digital) EUR 112,00

Preis (Print) EUR 126,30

Schlagworte: Legierung, Festigkeit

Zusammenfassung

Als Konstruktionswerkstoffe bieten Aluminiumlegierungen eine Reihe von Vorteilen hinsichtlich Gewicht, Recyclingfähigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit Die vielfältige Nutzung und Kombination dieser positiven Eigenschaften, verbunden mit einer konsequenten Umsetzung in eigenschaftsoptimierten Produkten mit hoher Wirtschaftlichkeit, führen zu einem ständig steigenden Praxiseinsatz dieser Werkstoffe. Die modernen Schutzgasschweißverfahren WIG-Squarewave-, MIG-Impulslichtbogen- und Plasma-Pluspol-Schweißen bieten sich als wirtschaftliche und zuverlässige Fügeverfahren an, um Aluminium und Legierungen auf Aluminiumbasis durch Schmelzschweißen zu verbinden.

Für die schweißtechnische Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen unter 3 mm Blechdicke existieren im Normenwerk bisher keine einheitlichen Richtlinien, so daß sich vor allem für Klein- und mittelständische Betriebe Schwierigkeiten hinsichtlich der Qualitätssicherung ergeben. Die bekannten Verfahrenseigenschaften und Verfahrensgrenzen sind, bedingt durch die in den letzten Jahren erheblich verbesserte und modifizierte Gerätetechnik, kritisch zu überarbeiten.

Im vorliegenden Schlußbericht sind grundlegende Untersuchungsergebnisse zur schweißtechnischen Verarbeitung der Aluminiumlegierungen AlMg3; AlMg0,4Si1,2; AlMgSi1 und AlMgSi0,5 mit den genannten Schweißverfahren dargestellt. Zunächst wurden optimierte Schweißparameter für das jeweilige Schweißverfahren im Hinblick auf einen stabilen Schweißprozeß und eine gute Nahtausbildung ermittelt. Mit den ermittelten Schweißparametern konnten auch Kombinationsverbindungen der genannten Blechwerkstoffe untereinander sowie mit Strangpreßlegierungen wie AlMgSi0,5 in guter Qualität realisiert werden, wenn dem unterschiedlichen Schmelzverhalten der Werkstoffe durch eine Anpassung der Prozeßparameter Rechnung getragen wurde. Dabei wurde der Einfluß unterschiedlicher Schutzgase und Schweißzusatzwerkstoffe auf das Prozeßverhalten und die Nahtausbildung untersucht.
Die ermittelten statischen Festigkeitswerte der Schweißverbindungen lagen bei der Untersuchung der geschweißten Proben zumeist deutlich über den geforderten Mindestfestigkeiten bekannter Normen.

Weiterhin erfolgten zu allen drei Schweißverfahren Versuche zur Ermittlung der maximal zulässigen Fertigungstoleranzen der zu fügenden Blechteile. Die zulässigen Toleranzen werden jedoch wesentlich von der Werkstückgeometrie und der Wärmeableitung der verwendeten Bauteile bestimmt, so daß die ermittelten Werte nur als Richtwerte dienen können. Beim I-Stoß (Kantenversatz, Brennerversatz und Stirnflächenabstand) sowie beim Überlappstoß (Brennerversatz und Spaltbreite zwischen Ober- und Unterblech) wurden maximal zulässige Abweichungen untersucht. Während im I-Stoß schon bei geringem bzw. veränderlichem Stirnflächenabstand kein reproduzierbarer Schweißprozeß mehr erzielt werden kann, ist der Überlappstoß für diese Abweichungen nicht so anfällig. Als Hauptproblem hierbei ist der Brennerversatz in Richtung des Oberblechs zu sehen. Für eine Erweiterung des Bereichs zulässiger Fügeteiltoleranzen ist der Einsatz geeigneter Sensorik zur Online-Regelung der Schweißparameter und Nahtverfolgung erforderlich.

Das Forschungsvorhaben „Fügen von Blechen und Halbzeugen aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen mit modernen Schutzgasschweißverfahren unter besonderer Berücksichtigung der erreichbaren Festigkeit und der zulässigen Fertigungstoleranzen“ wurde unter der Fördernummer AiF 9928B 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. 97 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Teil I
1. Einleitung
2. Grundlagen zu den Schutzgasschweißen von Aluminium
2.1 Eigenschaften von Aluminium und Aluminiumlegierungen
2.1.1 Grundlagen
2.1.2 Anwendungsbereiche von Aluminiumlegierungen
2.2 Eigenschaften der Schutzgase
2.2.1 Argon
2.2.2 Helium
2.2.3 Sauerstoff und Stickstoff
2.3 Ursachen für Schweißnahtfehler
3. MIG-Impulslichtbogenschweissen
3.1 Stand der Technik des Metall-Schutzgasschweißens
3.1.1 Grundlagen des Verfahrens
3.1.2 MIG-Schweißen von Aluminium
3.2 Verwendete Werkstoffe, Versuchsaufbau und Auswerteverfahren
3.2.1 Verwendete Werkstoffe und Schutzgase
3.2.2 Schweißeinrichtung
3.2.3 Meßeinrichtungen und Meßmethodik
3.2.4 Hochgeschwindigkeitsfilmtechnik
3.2.5 Auswerteverfahren und -geräte
3.3 Verbindungsschweißungen zwischen gleichartigen Werkstoffen
3.3.1 AIMg3/AIMg3 mit S-AIMg5
3.3.2 AIMg0,4Si1,2/ AIMg0,4Si 1,2 mit S-AISi5
3.3.3 AIMg3/AIMg3 mit S-AISi5
3.3.4 AIMg0,4Si1,2/ AIMg0,4Si1,2 mit S-AIMg5
3.4 Verbindungsschweißungen zwischen verschiedenartigen Werkstoffen
3.4.1 AIMg3 und AIMg0,4Si1 ,2
3.4.2 AIMg3 und AIMgSi0,5
3.4.3 AIMg0,4Si1 ,2 und AIMgSi0,5
3.5 Festigkeitsuntersuchungen
3.5.1 Statische Zugversuche
3.5.2 Dynamische Festigkeitsuntersuchungen
3.6 Härtereihen
3.7 Toleranzuntersuchungen
3.7.1 I-Stoß
3.7.2 Überlappstoß
3.7.3 T-Stoß
3.7.4 Winkelpositionierung
3.8 Einfluß der Schutzgaszusammensetzung
4. WIG-Squarewave-Schweißen
4.1 Stand der Technik des Wolfram-lnertgasschweißens
4.1.1 Grundlagen des Verfahrens
4.1.2 Wolfram-lnertgasschweißen von Aluminium
4.2 Verwendete Werkstoffe, Versuchsaufbau und Auswerteverfahren
4.2.1 Verwendete Werkstoffe und Schutzgase
4.2.2 Schweißeinrichtung
4.2.3 Meßeinrichtungen, Meßmethoden und Auswerteverfahren
4.3 Einfluß des Elektrodenabstandes
4.4 Verbindungsschweißungen zwischen gleichartigen Werkstoffen
4.5 Verbindungsschweißungen zwischen verschiedenartigen Werkstoffen
4.5.1 AIMg3 und AIMg0,4Si1 ,2
4.5.2 AIMg3 und AIMgSi0,5 und AIMg0,4Si1 ,2 und AIMgSi0,5
4.6 Festigkeitsuntersuchungen
4. 7 Toleranzuntersuchungen
4.7.1 I-Stoß
4.7.2 Überlappstoß
4.7.3 Winkeltoleranzen
4.8 Einfluß der Schutzgaszusammensetzung
Literaturverzeichnis Teil 1.   
TEIL II
Verzeichnis der Formelzeichen, Indizes, Abkürzungen
5 Plasma-Pluspol-Schweißen
5.1 Stand der Technik des Plasma-Pluspol-Schweißens
5.1.1 Grundlagen des Verfahrens
5.1.2 Plasma-Pluspol-Schweißen von Aluminium
5.2 Verwendete Werkstoffe, Prozeßgase, Versuchsautbau und Prüfverfahren
5.2.1 Verwendete Werkstoffe
5.2.2 Verwendete Prozeßgase
5.2.3 Schweißeinrichtung
5.2.4 Prüfverfahren und Geräte
5.3 Grundlagenuntersuchungen
5.3.1 Möglichkeiten der Oberflächenaktivierung
5.3.2 Ermittlung des optimalen Brennerabstandes
5.3.3 Elektrodenform und -rückstellung
5.4 Verbindungsschweißungen zwischen gleichartigen Werkstoffen
5.4.1 AIMg3 / AIMg3
5.4.2 AIMg0,4Si1,2/ AIMg0,4Si1,2
5.4.3 AIMgSi1/ AIMgSi1
5.4.4 AIMgSi0,5/ AIMgSi0,5
5.5 Verbindungsschweißungen zwischen verschiedenartigen Werkstoffen
5.5.1 AIMg3/ AIMg0,4Si1,2
5.5.2 AIMg3/ AIMgSi1
5.5.3 AIMg3 / AIMgSi0,5
5.5.4 AIMg0,4Si1,2 / AIMgSi1
5.5.5 AIMg0,4Si1 ,2/ AIMgSi0,5
5.6 Gegenüberstellung der Ergebnisse des statischen Zugversuchs
5.7 Toleranzuntersuchungen
5.7.1 Drahtzufuhrposition
5.7.2 Kantenversatz /I-Stoß
5.7.3 Stirnflächenabstand /I-Stoß
5.7.4 Brennerversatz /I-Stoß
5.7.5 Schweißungen an Überlapp- und T-Stoß
5.8 Ergebnisbetrachtung und Ausblick
6 Abgrenzung der Einsatzbereiche
7 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis Teil II