Rührreibschweißen: Prozess und Robustheit, mechanische Eigenschaften unter Anwendung zerstörender und innovativer zerstörungsfreier Prüfmethoden, Mikrostruktur, Korrosion und fügezonenintegrierter Korrosionsschutz

Problemstellung und Ziele des Projektes

Hybridbauweisen ermöglichen es, die Vorteile unterschiedlichster Werkstoffe in einer Komponente zu vereinen. Kraft- und formschlüssige Verbindungen sind zwar auf einfache Weise realisierbar, die Beanspruchbarkeit einer Schweißverbindung wird aber nur selten erreicht. Dem Schmelzschweißen verschiedener Werkstoffe stehen aber insbesondere die damit verbundenen unterschiedlichen Schmelzbereiche entgegen. Zudem kommt es in der Fügezone häufig zu unerwünschten Mischphasenbildungen, die die Verbindungsfestigkeiten erheblich reduzieren.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, das innovative Rührreibschweißverfahren (FSW) zum Fügen von Werkstoffgruppen einzusetzen, die jeweils breite Anwendungsfelder aufweisen, jedoch nicht miteinander schmelzschweißbar sind. Dies sind insbesondere die Leichtbauwerkstoffe Aluminium und Magnesium, aber auch Aluminium und Stahl. FSW ermöglicht ein Fügen durch plastische Deformation. Um festigkeitsmindernde Effekte durch eventuell auftretende Sprödphasen auszuschließen und die Durchmischung des Fügebereichs zu intensivieren, wird zusätzlich Leistungsultraschall in die Schweißzone eingebracht. Um die entstandenen Rührreibschweißungen hinsichtlich der Qualität zu beurteilen, werden quasistatische und zyklische (Projektpartner IWW) sowie zerstörungsfreie Untersuchungen (Projektpartner IZFP) vorgenommen. Um die besondere Problematik der Korrosion bei Mischverbunden beherrschen zu können, werden am DFI detaillierte Untersuchungen des Korrosionsverhaltens des Schweißbereichs durchgeführt.

Ergebnisse

Das ultraschallunterstütze Rührreibschweißen (USE-FSW) wurde zunächst erfolgreich zur Herstellung von Al/Mg-Hybridverbunden der Legierungen EN AC-48000 und AZ80 eingesetzt. Hierbei konnte die positive Wirkung des zusätzlichen Ultraschalls auf die Verbindungsfestigkeit nachgewiesen werden. Aufgrund des großen Potentialunterschiedes zwischen der Mg-Legierung und der angrenzenden Nuggetphase kommt es im Übergangsbereich zur Ausbildung eines galvanischen Elementes und zur verstärkten Korrosion des Magnesiums (s. S. Benfer et al., Surface and Interface Analysis, 2016).

Anschließend wurde das Verfahren auf die Erzeugung von Al/Stahl-Verbunden aus einer Al-Knetlegierung (EN AW-6061) und DC04 Stahl im kaltgewalzten Zustand angewendet. In Analogie zu den Al/Mg-Hybriden wurden zunächst mit Hilfe der Rasterkelvinsonde (SKP) die Voltapotentialdifferenzen der Schweißnähte untersucht. Hier ergab sich eine Voltapotentialdifferenz von etwa 0,9 V, wobei die Al-Legierung die negativeren Werte aufweist. Die Messergebnisse an Luft lassen sich nicht direkt auf die Messungen in einem wässrigen Elektrolyten übertragen, wie die Ruhepotentialmessungen in 0,5 molarer NaCl-Lösung zeigen. Nach 60 min Elektrolytkontakt ist das Ruhepotential des Stahls leicht negativer als das der Aluminium-Legierung, während an Luft noch ein um ca. 0,9 V positiveres Voltapotential gemessen wurde. Aufgrund des geringen Potentialunterschiedes zwischen dem Stahl und der Aluminium-Legierung ist die Gefahr der beschleunigten Korrosion durch die Bildung eines galvanischen Elementes sehr gering im Vergleich zu den Al/Mg-Hybridverbunden (s. M. Thomä et al., Journal of Materials Science & Technology, 2018).

Mit EN AW-6061/C45- und EN AC-48000/AZ91-Verbunden wurden weitere Legierungskombinationen sowohl im Al/Stahl- als auch im Al/Mg-Bereich realisiert. Die Ergebnisse hierzu wurden bereits zur Veröffentlichung eingereicht. (M. Thomä, G. Wagner, B. Straß, B. Wolter, S. Benfer, W. Fürbeth, New developments in the field of ultrasound enhanced friction stir welding of dissimilar materials; accepted paper for the 12th International Symposium on Friction Stir Welding, 2018). Für die EN AC-48000/AZ91-Al/Mg-Verbunde wurde auch der Einfluss der US-Leistung auf die Verbindungseigenschaften untersucht. (A. Gester, M. Thomä, G. Wagner, B. Straß, B. Wolter, S. Benfer, W. Fürbeth, Hybrid Joints of die-casted Aluminum/Magnesium by Ultrasound Enhanced Friction Stir Welding (USE-FSW); accepted paper for Welding in the World, 2018).

Das Forschungsprojekt wurde über die DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Joining by plastic deformation" (SPP1640) gefördert.