Verfahren - HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht , Monday, 15-Apr-2013 11:12:21 CEST
http://www.hzg.de/institute/materials_research/structure/materials_mechanics/joining_and_assessment/applicationss/index.html.de
Verfahren
Laserstrahlschweißen von hochfesten Aluminium Legierungen für Luftfahrtanwendungen
Im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungs-Programm Clean Sky wird im Forschungsprojekt
LAWENDEL das Laserstrahlschweißen einer neuen Aluminium-Lithium-Legierung (AA2198-T8, AA2196-T8)
untersucht mit dem Ziel, geeignete Prozessparameter und –bedingungen zu entwickeln, welche die
Herstellung von fehlerfreien Laserschweißnähten in dieser Legierung gewährleisten soll. Mit dieser Legierung
könnten, im Vergleich mit den heute im Flugzeugbau eingesetzten Legierungen, nochmal bis zu zehn Prozent
Gewicht eingespart werden. Die entwickelten Prozesstechnologien werden für das Schweißen von
Leichtbau-Demonstratoren im Original-Maßstab hochskaliert.
Laserstrahlschweißen von hochfesten Aluminium Legierungen für den Automobilbau
Die derzeitigen Entwicklungen im Automobilbau werden im Wesentlichen durch die Forderung nach einer
Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und der Herstellungskosten bestimmt. Durch die Verwendung von
sogenannten Tailor Welded Blanks (TWBs), die aus leichten und hochfesten Aluminiumlegierungen bestehen
und durch Laserstrahlschweißen miteinander verbunden werden können, ist es möglich diese Ziele zu
erreichen. Typische Aluminiumlegierungen des Automobilbaus sind hierbei die AA5XXXer- und AA6XXXer-
Legierungen, wobei auch die AA7XXXer-Legierungen viel versprechend erscheinen. Der
Laserschweißprozess wird dabei in Bezug auf die verwendete Materialkombinationen, z.B. AA5083/AA7075,
die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften, die Korrosionseigenschaften und die Umformbarkeit
entwickelt und optimiert. Falls notwendig wird zusätzlich eine Behandlung der Schweißverbindung zur
besseren Umformbarkeit des TWBs entwickelt.
Laserschweißen von Magnesiumlegierungen
Der wirtschaftliche Einsatz von Magnesiumlegierungen setzt die Verfügbarkeit zuverlässiger Fügeverfahren
voraus, darunter das Laserschweißverfahren. Mit 1.74 g/cm3 weist Magnesium eine Dichte auf, die im
Vergleich zu Aluminium um 40 % und zu Stahl um 78 % geringer ist. Hervorzuheben ist auch die Tatsache,
dass Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer metallischen Eigenschaften gegenüber faserverstärkten
Kunststoffen hinsichtlich der Be- und Verarbeitungsmöglichkeiten (Zerspanungs-, Gieß-, Sinter-, Schmiedeund
Fügetechnik) überlegen sind und damit ein Substitutionspotential gegeben ist. In der Abteilung Fügen und
Bewerten (WMF) werden verschiedene Nahtkonfigurationen in Magnesiumlegierungen mittels
Laserschweißen realisiert und bewertet. Angestrebt wird die Herstellung von lasergeschweißten
Integralstrukturen aus Magnesiumlegierungen, die im Flugzeugbau typisch sind, z.B.
Haut-Stringer-Clip-Verbindungen. Des Weiteren werden Prozessbedingungen untersucht, unter denen Mgmit
Al-Legierungen mittels Laserfügen miteinander verbunden werden können.
Laserstrahlschweißen von Titan Legerungen für Luftfahrtanwendungen
Für die klassische Ti-Legierung Ti6Al4V sind hohe Festigkeit und ausreichende Duktilität verbunden mit
geringer Dichte und hoher Korrosionsbeständigkeit kennzeichnend. In CFK-Baugruppen integrierte
metallische Komponenten werden deshalb zunehmend aus der Legierung Ti6Al4 gefertigt, welche in den
Flugzeugtypen Airbus A350 oder Boeing B787 Verwendung finden werden. Dünnwandige
Ti6Al4V-Komponenten sollen mittels Laserschweißen gefügt werden können, wobei hohe Anforderungen an
die Schutzgasatmosphäre zu stellen sind. In der Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) wird der Einfluss der
Prozessparametervariation und Prozessbedingungen auf die mechanischen und mikrostrukturellen
Eigenschaften von Ti6Al4V-Laserschweißverbindungen untersucht und diskutiert. Neuerdings ist eine
Ti6Al4V-Blechvariante verfügbar, welche sich durch Feinkörnigkeit auszeichnet und infolgedessen bei
niedrigeren Temperaturen und kürzeren Herstellzeiten endkonturnah umgeformt werden kann. Der Umfang an
mechanischer und chemischer Nachbearbeitung kann deshalb verringert werden. Hier wird der Frage
nachgegangen, ob die luftfahrttechnische Eignung der Feinkronvariante und ihrer Laserschweißverbindungen
gegeben ist.
Neue Ansätze zum Fügen von TiAl-Basislegierungen

Neue Ansätze zum Fügen von TiAl-Basislegierungen
Es wird das Ziel verfolgt, das Laserschweißen von dünnwandigen TiAl-Komponenten für den Flugzeugbau
weiter zu entwickeln. Der bisherige Stand der Technik zum Fügen von TiAl-Basislegierungen, der
insbesondere durch das bewährte Diffusionsschweißverfahren geprägt ist, würde mit der Weiterentwicklung
des Laserstrahlschweißverfahrens erweitert werden. Die TiAl-Forschung hat in den letzten Jahrzehnten dazu
geführt, dass die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von TiAl-Basislegierungen sehr gut
verstanden werden. Der Schwerpunkt der TiAl-Forschung hat sich deshalb in den letzten Jahren von der
Legierungsentwicklung hin zu Be- und Verarbeitungsverfahren verlagert, wobei Gieß- und Umformprozesse
im Fokus stehen. Dadurch hat auch die Schweißtechnik in der TiAl-Forschung zunehmend an Bedeutung
gewonnen. Die Verfügbarkeit beherrschbarer Fügeverfahren ist eine wesentliche Voraussetzung für die
industrielle Anwendung von TiAl-Basislegierungen, um komplexe Bauteile herstellen oder defekte Strukturen
mittels TiAl-kompatibler Zusatzwerkstoffe in Pulverform reparieren zu können.
Verbesserung der Schadentoleranz von geschweißten Strukturen mittels
Laseroberflächenwärmebehandlung
Die Substitution von Nietverbindungen durch Schweißverbindungen im Flugzeugbau bedeutet eine Kostenund
Gewichtsreduzierung um 20%. Im Vergleich zu Differentialbauweisen zeigen geschweißte
Integralstrukturen jedoch eine geringere Schadenstoleranz. Dies hat zur Folge, dass geschweißte
Flugzeugbauteile in Bereichen montiert werden, wo Schadenstoleranz kein Auslegungskriterium ist. Ein
Lösungsansatz besteht darin, durch Laserwärmebehandlung Gefüge und Eigenspannungszustand in
geschweißten Strukturen oberflächennah lokal zu beeinflussen, um dadurch z.B. die
Ermüdungsrissausbreitungsrate zu verringern und damit die Lebensdauer zu erhöhen. Experimentelle und
numerische Untersuchungen an der Aluminiumlegierung AA2198 verliefen erfolgreich und sind Anlass für
weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel, die Laserwärmebehandlung als Methode zur
oberflächennahen Bearbeitung von geschweißten Integralstrukturen zu etablieren.
Laser Shock Peening (LSP) von dünnwandigen metallischen Strukturen im Flugzeugbau
Das Laser Shock Peening-Verfahren beruht im Wesentlich auf der Einkopplung von gepulster Laserstrahlung
hoher Energie in Werkstoffe oder Bauteile, wodurch sich Schockwellen ausbreiten und diese oberflächennah
Druckeigenspannungen und Verfestigung hervorrufen. Die Beständigkeit von Werkstoffen und Bauteilen
gegen Ermüdung, Schwingungsrisskorrosion und Reibverschleiß kann dadurch verbessert werden. Die
Tiefenwirkung des LSP-Verfahrens ist im Vergleich zu klassischen Methoden wie Sand- oder Kugelstrahlen
höher, so dass die Erzeugung von Druckeigenspannungen in größeren Strukturtiefen realisiert werden kann.
Die Neigung zur Ausbreitung von schon vorhandenen und detektierten Rissen lässt sich durch
LSP-Behandlung unterdrücken, wodurch die Lebensdauer von rissbehafteten Strukturen erhöht werden kann.
Gegenwärtig befindet sich in der Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) ein LSP-Labor im Aufbau, wo ein
Q-Switch-Nd:YAG-Laser und ein Roboter sowie ein Interferometer zur Messung von Eigenspannungen nach
der Bohrlochmethode betrieben wird. Eine Zielsetzung besteht darin, Eigenspannungsverteilungen in
Laserschweißverbindungen oder anderen Schweißverbindungen zu modifizieren.
Verbesserung der Schadenstoleranz mittels Krenelierung
Das Ziel der Forschung ist die Untersuchung des Potentials der Krenelierung von Blechen (“Zinnenstruktur“)
zur Rissablenkung unter zweiachsiger Beanspruchung. Dahinter steht die Überlegung, dass zusätzlich zur
Verlangsamung der Rissausbreitung die systematische Variation des Spannungsintensitätsfaktors genutzt
werden kann, um den Riss in eine Vorzugsrichtung zu zwingen und damit die Schädigung zu minimieren.
Numerische Simulation wird zur Ermittlung von Auslegungsparametern für ein verbessertes
Schadenstoleranzverhalten genutzt. Anhand dieser Auslegungsparameter wird das experimentelle Design für
Laborproben bestimmt und die numerische Simulation durch mechanische Prüfungen validiert. Hierauf folgt
die Übertragung auf bauteilähnliche Strukturen, z.B. geschweißte und krenelierte Mehrstringerproben.
Untersuchungen von lokalen und globalen Eigenschaften von Laserschweißverbindungen
Systematische Untersuchungen von Eigenschaftsgradienten in geschweißten Strukturen werden in der
Abteilung Fügen und Bewerten (WMF) mit folgenden Methoden durchgeführt:

metallographische Charakterisierung (Lichtmikroskopie, REM, EDX, EBSD)
mikromechanische Charakterisierung durch Mikrohärtemessungen und Zugversuche an
Miniaturflachzugproben von 0.5 mm Dicke, 2.0 mm Breite und 9 mm Länge, die aus
Schweißverbindungen herausgetrennt werden, um Festigkeits- und Verformungsgradienten von
Laserschweißverbindungen zu ermitteln.
Untersuchung von Dauerschwingverhalten und Ermüdungsrisswachstum an geschweißten
Strukturen unter konstanten oder variablen Lastamplituden für unterschiedlichste
Probengeometrien
Bruchmechanische Untersuchungen (Charpy-V, instrumentierter Charpy-V Test, KIC, CTOD,
J-Integral) von Schweiß- und Wärmeeinflusszone unter Einsatz von Standard- und im Haus
entwickelter Verfahren bei RT und im Tieftemperaturbereich. Dabei können Probenform [Standard
Biege- und C(T)-Proben] und Probengröße gezielt variiert werden
Untersuchung von großen geschweißten Blechen unter Zugbelastung bis 400t
Modellierung und Vorhersage von Schweißeigenspannungen mit FEM-Methoden, sowie deren
Messung mittels Synchrotronstrahlung und Bohrlochmethode
Zerstörungsfreie Röntgenprüfung von Schweißverbindungen