SB_19396NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zum Einfluss
der Oberflächentopographie
und Korrosion auf die
Schwingfestigkeit magnetpulsgeschweißter
Stahl/
Aluminium Hybridbleche

Untersuchungen zum Einfluss
der Oberflächentopographie
und Korrosion auf die
Schwingfestigkeit
magnetpulsgeschweißter Stahl/
Aluminium Hybridbleche
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.396 N
DVS-Nr.: 05.065
Universität Kassel, Institut für
Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und
Fügende Fertigungsverfahren
Technische Universität Dortmund,
Fakultät Maschinenbau Fachgebiet
Werkstoffprüftechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.396 N / DVS-Nr.: 05.065 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 433
Bestell-Nr.: 170542
ISBN: 978-3-96870-432-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19396 N
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .......................................................................................................................... 22
2. Stand der Technik und Forschung ..................................................................................... 24
2.1. Grundlagen des Magnetimpulsschweißen .................................................................. 24
2.1.1. Verbindungsbildung und Schweißprozessfenster ................................................ 26
2.1.2. Schweißnaht- und Interfacecharakteristiken ........................................................ 27
2.2. Charakterisierung des Ermüdungs- und Schädigungsverhaltens von Werkstoffen und -
verbindungen .............................................................................................................. 29
3. Vorarbeiten im Rahmen der Antragsstellung ..................................................................... 31
4. Zielsetzung, Arbeitshypothesen und Lösungsweg ............................................................. 36
4.1. Zielsetzung ................................................................................................................. 36
4.2. Arbeitshypothesen ..................................................................................................... 36
4.3. Lösungsweg ............................................................................................................... 38
5. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ..................................................................... 42
5.1. Probenherstellung und Probenpräparation ................................................................. 42
5.1.1. Werkstoffkombinationen ...................................................................................... 42
5.1.2. Magnetimpulsschweißen ..................................................................................... 44
5.1.3. Schweißgeometrien ............................................................................................ 46
5.1.4. Einstellung der Oberflächentopographien ............................................................ 47
5.1.5. Korrosionsauslagerung und direkte Schweißnahtexposition ................................ 49
5.2. Prüf- und Analysemethoden ....................................................................................... 50
5.2.1. Quasistatische und dynamische Untersuchungen ............................................... 50
5.2.2. Schwingfestigkeitsuntersuchungen ..................................................................... 51
5.2.3. Lichtmikroskopie ................................................................................................. 54
5.2.4. Rasterelektronenmikroskopie .............................................................................. 56
6. Versuchsergebnisse .......................................................................................................... 58
6.1. Schweißparameter- und Materialeinfluss .................................................................... 58
6.1.1. Quasistatische Belastbarkeit ............................................................................... 59
6.1.2. Zyklische Belastbarkeit ........................................................................................ 64
6.2. Schweißgeometrieeinfluss.......................................................................................... 77
6.2.1. Quasistatische Belastbarkeit ............................................................................... 78
6.2.2. Zyklische Belastbarkeit ........................................................................................ 81
6.3. Oberflächentopographieeinfluss ................................................................................. 85
6.3.1. Quasistatische Belastbarkeit ............................................................................... 86

Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19396 N
6.3.2. Zyklische Belastbarkeit ........................................................................................ 87
6.4. Korrosionseinfluss ...................................................................................................... 90
6.4.1. Quasistatische Belastbarkeit ............................................................................... 91
6.4.2. Zyklische Belastbarkeit ........................................................................................ 95
6.5. Hochgeschwindigkeitszugprüfung ............................................................................ 105
7. Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des Forschungsantrages ...... 108
8. Veröffentlichungen und Ergebnistransfer in die Wirtschaft ............................................... 110
8.1. Bisherige Veröffentlichungen .................................................................................... 110
8.2. Geplante Veröffentlichungen .................................................................................... 110
8.3. Tabellarische Auflistung der Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit........ 111
8.4. Tabellarische Auflistung der geplanten Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit ...
................................................................................................................................. 112
8.5. Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts ...................................................................................................... 113
9. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse für
kleine und mittelständische Unternehmen ....................................................................... 114
10. Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 116

Seite 22 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19396 N
1. Einleitung
Das Magnetimpulsschweißen (MPS) bietet die Möglichkeit, Stahl mit Aluminium linienförmig, verzugsarm,
stoffschlüssig und ohne Gefügeveränderungen durch Temperatureinflüsse zu fügen.
Hierbei entsteht nur eine extrem dünne intermetallische Phase, die sich durch eine optimale Prozessführung
auf ein unkritisches Niveau reduzieren bzw. ein sprödes Versagen der Verbindungszone
vermeiden lässt. Durch das Verfahren wird die Möglichkeit des metallischen Mischbaus erhöht.
Es ermöglicht in einem Puls und mit einer geringen Taktzeit (Schweißzeit

Seite 23 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19396 N
Aufgrund der Unzugänglichkeit der Fügestellen magnetimpulsgeschweißter (Hybrid-) Verbindungen,
ist die Auswahl anwendbarer Sensorik zur indirekten Messung von Gefügeveränderungen
durch physikalische Verfahren, wie z.B. elektrische Widerstandsmessung, begrenzt. Optische
bzw. berührungslose Messsysteme, wie z.B. die digitale Bildkorrelation (DIC), sind zur mechanischen
Charakterisierung der Fügestelle eher ungeeignet, da Aussagen über belastungsinduzierte
mikrostrukturelle Veränderungen in der, optisch nicht ersichtlichen, MPS-Naht nicht aufgezeichnet
werden können. Daher musste eine geeignete Kombination von Sensorik ermittelt werden,
welche eine Charakterisierung der MPS Hybrid-Verbindung im Hinblick auf u. a. Versagensart
und Ankündigung des Versagenseintritts ermöglicht. Ergänzend dazu besteht die Möglichkeit,
das Prüfverfahren und die eingesetzte Sensorik als Basis für bspw. Lebensdauervorhersagen
und Structural Health Monitoring zu nutzen und im Hinblick auf den Einsatz magnetimpulsgeschweißter
Hybridverbindung mit messtechnisch unterstützter Absicherung gegen vorzeitiges
Versagen weiterzuentwickeln.

Seite 24 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19396 N
2. Stand der Technik und Forschung
2.1. Grundlagen des Magnetimpulsschweißen
Das MPS gehört gemäß der DIN 1910-100 innerhalb der Metallschweißverfahren zu der übergeordneten
Gruppe der Pressschweißverfahren, genauer gesagt den Schockschweißverfahren
[Deu08]. Pressschweißverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die stoffschlüssige Verbindung
der Werkstücke durch eine Kraft-/ Druckanwendung und nicht, wie bei Schmelzschweißverfahren,
durch eine Wärmeanwendung und der damit einhergehenden Aufschmelzung der Werkstücke
(örtlich begrenzter Schmelzfluss) realisiert wird. Mit dem Energieträger „Bewegung von
Masse“ gehört das MPS neben dem artverwandten und oft zum Vergleich herangezogenen Explosionsschweißen
(EXS) zu den Kollisionsschweißverfahren. Charakteristisch für solche Verfahren
ist, dass die Krafteinwirkung auf die Werkstücke schlagartig erfolgt und diese so stark beschleunigt
und kollidieren lässt, dass der an den Stoßflächen vorliegende Kollisionsdruck eine
stoffschlüssige Verbindung ohne eine zusätzliche Wärmeeinbringung von außen bzw. ohne das
Vorhandensein einer ausgeprägten Wärmeeinflusszone ermöglicht (siehe Abbildung 1) [Mor13].
Abbildung 1:
Parameterbereiche verschiedener Schweißverfahren in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Zeit
[Lys12]
Kollisionsschweißverfahren sind für den metallischen Mischbau regelrecht prädestiniert, da
schmelzschweißspezifische Nachteile (temperaturbedingte Gefügeveränderungen, spröde intermetallische
Phasen, thermischer Verzug, etc.) vermieden bzw. durch eine optimale Prozessführung
auf ein unkritisches Niveau reduziert werden können, so dass im Belastungsfall das Versagen
des schwächeren Fügepartners und nicht der Schweißnaht vorliegt [Aiz07].
Während beim EXS der Kollisionsvorgang aus der Detonation von Sprengstoff resultiert, wird
dieser beim MPS unter Verwendung eines starken elektromagnetischen Feldes realisiert, das bei