SB_20233NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Quantifizierung der
Schweißeignung
vergossener Aluminium-
Druckgusswerkstoffe

Quantifizierung der
Schweißeignung vergossener
Aluminium-
Druckgusswerkstoffe
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.233 N
DVS-Nr.: 01.2263
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.233 N / DVS-Nr.: 01.2263 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
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 558
Bestell-Nr.: 170668
ISBN: 978-3-96870-558-3
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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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV
V
VI
Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Anlass für den Forschungsantrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Stand der Forschung und Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.3 Eigene Vorarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Arbeitshypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Ablauf des Forschungsvorhabens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Arbeitsplanung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Projektkonsortium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Numerische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1 Aufbau des Simulationsmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2 Parametervariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5 Experimentelle Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.1 Probenkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2 Gießversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.3 Vorversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.4 Werkstoff- und Bauteilprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4.1 Blistertests und Dichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4.2 Wasserstoffmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.5 Schweißversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.5.1 Laserstrahlschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.5.2 Elektronenstrahlschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.6 Schweißnahtprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.6.1 Sichtprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.6.2 Computertomographie und Porositätsanalyse . . . . . . . . . . . . . 26
II

Inhaltsverzeichnis
6 Versuchsergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.1 Numerische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.2 Experimentelle Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.2.1 Werkstoffuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.2.2 Schweißversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.3 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8 Gegenüberstellung von Ergebnissen und Zielsetzungen . . . . . . . . . . . . 39
8.1 Arbeitspakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.1.1 AP1: Auswahl von Werkstoffen und Prüfverfahren . . . . . . . . . . 39
8.1.2 AP2: Herstellung von Versuchswerkstoffen definierter Qualität . . . . 39
8.1.3 AP3: Werkstoffcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
8.1.4 AP4: Schweißversuche mit weiteren Schweißverfahren . . . . . . . 40
8.1.5 AP5: Schweißnahtprüfung und Werkstoffanalytik . . . . . . . . . . . 40
8.1.6 AP6: Multivariate Korrelationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.1.7 AP7: Maßnahmenkatalog zum Schweißen von Druckguss . . . . . . 41
8.1.8 AP8: Validierung der Ergebnisse an Realbauteilen . . . . . . . . . . 42
8.1.9 AP9: Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit . . . . . . . . . . 43
8.3 Verwendung der Zuwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.3.1 Personalausgaben | A1 – wiss.-techn. Personal . . . . . . . . . . . 43
8.3.2 Personalausgaben | A2 – übriges Fachpersonal . . . . . . . . . . . 43
8.3.3 Personalausgaben | A3 – Hilfskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.3.4 Ausgaben für Gerätebeschaffung | B . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.3.5 Ausgaben für Leistungen Dritter | C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.4 Angaben über gewerbliche Schutzrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5.1 Transfer während der Projektlaufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5.2 Transfer nach der Projektlaufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.5.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts . . . . . . . 48
8.6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU . . . . . 49
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
A Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
A.1 Versuchsplan der Gießversuche (AP2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
A.2 Parameter der CT-Porositätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
III

Einleitung
1 Einleitung
Die Verwendung von Aluminiumprodukten nimmt seit den 1980er Jahren stetig zu [1]. Maßgebliche
Treiber für diese Entwicklung stellen die durch gesetzliche Rahmenbedingungen und
steigende Energiepreise getriebenen Leichtbauanstrengungen in verschiedenen Bereichen
der Transport- und Verkehrstechnik dar [1]. Zur wirtschaftlichen Herstellung komplexer, dünnwandiger
und endkonturnaher Bauteile aus Aluminium in hoher Stückzahl wird überwiegend
das Aluminium-Druckgießverfahren eingesetzt. Alleine in Deutschland wurden im Jahr 2019
rund 600 000 Tonnen Aluminium im Druckgießverfahren vergossen [2]. Ein Großteil der in
Deutschland hergestellten Leichtbaustrukturen findet dabei Verwendung im Automobilsektor.
Im Zuge der Transformation zur E-Mobilität wird beobachtet, dass der Anteil an Gehäusebauteilen
für Leistungs- und Steuerelektronik zunimmt [3]. In den meisten Anwendungsfällen
ist es erforderlich, derartige Gehäusebauteile nicht lösbar durch einen Deckel fügetechnisch
abzudichten. Das Fügen von Aluminium-Druckgusswerkstoffen ist mithilfe verschiedenster
Fertigungsverfahren wie dem Kleben, dem mechanischen Fügen und dem Schmelzschweißen
möglich. Die schweißtechnische Verarbeitung von Aluminium-Druckgusswerkstoffen ist
jedoch mit diversen, aus der Literatur bekannten, Herausforderungen verbunden. So wurde
in zahlreichen Publikationen die wasserstoffinduzierte metallurgische Porenbildung sowie
das unregelmäßige Auftreten von Durchschüssen und Schmelzbadauswürfen als zentrale
Herausforderung identifiziert [4–7]. Das Auftreten dieser Defekte erfolgt meist unregelmäßig
und ist stark von der variierenden Werkstoffqualität und Einflussfaktoren, wie beispielsweise
Wasserstoffgehalt, Formtrennmittel sowie Auslegung der Druckgießform, abhängig
[6]. Quantitative Wirkzusammenhänge zwischen den einzelnen Einflussfaktoren und der
Schweißeignung sind ebenfalls nur bedingt bekannt. Weiterhin besteht kein normatives Konzept
zur systematischen Bewertung der Schweißeignung eines Druckgussbauteils, sodass
eine verlässliche Definition bestimmter Qualitätsstufen der Schweißeignung kaum möglich ist.
Infolge der auftretenden Ungänzen beim Schweißen von Aluminium-Druckguss entstehen
hoher Ausschuss sowie hohe Kosten für notwendige Nacharbeit. Zugleich verschlechtert sich
der ökologische Fußabdruck der Baugruppen. Nur wenn durch eine zuverlässige Prognose
der Schweißeignung das Ausschussrisiko gesenkt werden kann, kann das wirtschaftliche
Potenzial der Schweißaufgabe voll ausgeschöpft werden. Zur gezielten Analyse der Defektursachen
ist dazu eine Betrachtung der Prozesskette aus Druckgießen und Schweißen
erforderlich [8].
1

Stand der Technik
2 Stand der Technik
2.1 Anlass für den Forschungsantrag
Die Verwendung von Aluminiumprodukten nimmt seit den 1980er Jahren stetig zu [1].
Maßgebliche Treiber für diese Entwicklung stellen die durch gesetzliche Rahmenbedingungen
und steigende Energiepreise getriebenen Leichtbauanstrengungen in verschiedenen
Bereichen der Transport- und Verkehrstechnik dar [1]. Zur wirtschaftlichen Herstellung
komplexer, dünnwandiger und endkonturnaher Bauteile aus Aluminium in hoher Stückzahl
wird überwiegend das Aluminium-Druckgießverfahren eingesetzt. Alleine in Deutschland
wurden im Jahr 2016 rund 615 000 Tonnen Aluminium im Druckgießverfahren, zu großen
Teilen durch kleine und mittlere Unternehmen (KMU), vergossen [9]. Dabei wird ein Umsatz
von 5,1 Milliarden Euro erwirtschaftet, etwa 32 000 Menschen sind in einem direkten
Zusammenhang mit der Verarbeitung des Leichtmetalls beschäftigt [10]. Ein Großteil der in
Deutschland hergestellten Leichtbaustrukturen mit definierten Materialeigenschaften findet
dabei Verwendung im Automobilsektor. Im Zuge der Transformation zur E-Mobilität ist für
dieses Produktionsverfahren von einer Abnahme konventioneller Bauteile im Antriebsstrang
auszugehen. Gleichzeitig wird beobachtet, dass der Anteil an Gehäusebauteilen für
Leistungs- und Steuerelektronik zunimmt [3, 11]. In den meisten Anwendungsfällen ist es
erforderlich, derartige Gehäusebauteile, beispielsweise nach Integration der Steuer- bzw.
Leistungselektronik, nicht lösbar durch einen Deckel fügetechnisch abzudichten. Das Fügen
von Aluminium-Druckgusswerkstoffen ist mithilfe verschiedenster Fertigungsverfahren wie
dem Kleben, dem mechanischen Fügen und dem Schmelzschweißen möglich. Schmelzschweißverfahren
zeichnen sich hierbei besonders durch eine hohe Automatisierbarkeit,
kurze Prozesszeiten und ein geringes Gewicht der Fügeverbindung aus. Des Weiteren ist im
Vergleich zu Festphasen-Schweißverfahren wie dem Rührreibschweißen oder engl. friction
stir welding (FSW) keine Aufnahme hoher Prozesskräfte notwendig. Die schweißtechnische
Verarbeitung von Aluminium-Druckgusswerkstoffen ist jedoch mit diversen, aus der Literatur
bekannten, Herausforderungen verbunden.
So wurde in zahlreichen Publikationen die wasserstoffinduzierte metallurgische Porenbildung
sowie das unregelmäßige Auftreten von Durchschüssen und Schmelzbadauswürfen als
zentrale Herausforderung identifiziert [4–7]. Derartige Schweißnahtimperfektionen wurden
sowohl beim Schweißen mit Lichtbogen- als auch Strahlschweißverfahren beobachtet [12–
14]. Das Auftreten dieser Defekte erfolgt meist unregelmäßig und ist stark von der variierenden
Werkstoffqualität abhängig. Eine Ursache für die Schwankungen der Werkstoffqualität
liegt in der Vielzahl an Einflussfaktoren, wie beispielsweise dem Wasserstoffgehalt, der
Zusammensetzung des Formtrennmittels und dessen Konzentration sowie der Auslegung
2

Stand der Technik
der Druckgießform auf das fertige Druckgusserzeugnis, begründet [5]. Diese Größen sind
an einem bereits vergossen Bauteil, so wie es etwa bei einem KMU der schweißtechnischen
Verarbeitung angeliefert wird, nicht rückwirkend ermittelbar. Ferner sind Informationen zur
Durchführung des Druckgießprozesses meist nicht verfügbar. Quantitative Wirkzusammenhänge
zwischen den einzelnen Einflussfaktoren und der Schweißeignung sind ebenfalls
nur bedingt bekannt. Weiterhin besteht kein normatives Konzept zur systematischen Bewertung
der Schweißeignung eines Druckgussbauteils, sodass eine verlässliche Definition
bestimmter Qualitätsstufen der Schweißeignung kaum möglich ist. Die bestehenden Merkblätter
DVS 0604 des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS)
und BDG F20 des Bundesverbands der Deutschen Gießerei-Industrie (BDG) beschränken
sich auf die konstruktive Gestaltung bzw. die fertigungstechnischen Voraussetzungen
für die Herstellung von schweißgeeigneten Druckgussbauteilen [15, 16]. Diese Sachverhalte
erschweren die Kommunikation zwischen der Gießerei, dem Lohnschweißbetrieb
sowie dem Anwender. Infolge der auftretenden Ungänzen beim Schweißen von Aluminium-
Druckguss, insbesondere beim Dichtschweißen von Gehäusebauteilen, entstehen hoher
Ausschuss sowie hohe Kosten für notwendige Nacharbeit. Zugleich verschlechtert sich der
ökologische Fußabdruck der Baugruppen. Nur wenn durch eine zuverlässige Prognose der
Schweißeignung das Ausschussrisiko gesenkt werden kann, kann das das wirtschaftliche
Potenzial der Schweißaufgabe für KMU voll ausgeschöpft werden. Zur gezielten Analyse
der Defektursachen ist dazu eine Betrachtung der Prozesskette aus Druckgießen und
Schweißen erforderlich [8]. Die Komplexität der gezielten Ermittlung von quantifizierbaren
Wirkzusammenhängen zwischen Schweißeignung und Druckgussqualität übersteigt jedoch
die Forschungs- und Entwicklungsressourcen von KMU und erschwert damit die Möglichkeit
zur eigenständigen Forschung.
2.2 Stand der Forschung und Entwicklung
Die Schweißeignung fasst nach Dilthey [17] die Reaktion eines Grundwerkstoffes auf die
schweißtechnische Verarbeitung zusammen und wird von der chemischen Zusammensetzung,
dem metallurgischen Zustand und den physikalischen Eigenschaften bestimmt. Ferner
beeinflusst die Schweißeignung die Schweißbarkeit eines Bauteils maßgeblich und ist daher
für die schweißtechnische Verarbeitung hoch relevant [17, 18]. In der Vergangenheit
ist die Schweißeignung verschiedenster Werkstoffe daher bereits Gegenstand zahlreicher
wissenschaftlich-technischer Publikationen gewesen. Dabei wurden unterschiedliche Konzepte
zur Bewertung und Kategorisierung der Schweißeignung entwickelt, publiziert und
teilweise genormt. In DIN EN ISO 18278-1 wird beispielsweise eine Unterteilung der Schweißeignung
für das Widerstandsschweißen eines Bauteils in die metallurgische, operative und
konstruktive Schweißeignung vorgenommen [19]. Andere Konzepte, wie in den Merkblättern
[20–22] des Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. (DVS) für das
3