Leichtbau wird immer wichtiger, vor allem im Mobilitätssektor, wo es um Energieeinsparungen durch geringeres Gewicht geht. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Einsatz verbesserter Materialien wie z. B. hochfester Stähle, von denen weniger Material gebraucht wird. Die andere Möglichkeit ist der Einsatz von Leichtmetallen wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen, wobei sich durch Kombination verschiedener Leichtmetalle in einem Bauteil besonders interessante Anwendungspotenziale eröffnen.
Zur Herstellung solcher sog. Hybridstrukturen sind geeignete Fügeverfahren notwendig. Das Fügen mit den üblichen Schmelzschweißverfahren ist aber zum einen aufgrund der unterschiedlichen Schmelzbereiche der verschiedenen Werkstoffe (z. B. Aluminum und Stahl) nicht möglich. Zum anderen kommt es in der Fügezone häufig zu unerwünschten Mischphasenbildungen (z. B. Aluminium und Magnesium), die die Verbindungsfestigkeiten erheblich reduzieren. Daher wird im Rahmen des Projektes das innovative Rührreibschweißverfahren (Friction Stir Welding, FSW) zum Fügen von Al-Guss- mit Mg-Guss-Legierungen eingesetzt, da beide Werkstoffgruppen breite Anwendungsfelder aufweisen, jedoch nicht miteinander schmelzschweißbar sind. Auch Verbindungen von Al-Legierungen mit Stahl sollen auf diese Weise realisiert werden. 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. Dieser gekoppelte Prozess wird als ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen (USE-FSW) bezeichnet.
Die positive Wirkung des zusätzlichen Ultraschalls auf die Verbindungsfestigkeit von Al/Mg-Verbindungen konnte bereits nachgewiesen werden1. Da Mischverbunde aus unterschiedlichen Metallen schon allein aufgrund des zwischen den Fügepartnern vorliegenden elektrochemischen Potentialunterschiedes stark korrosionsgefährdet sind, werden am DFI umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich des Korrosionsverhaltens durchgeführt. Mit Hilfe der Rasterkelvinsonde können Potentialdifferenzen an Luft zwischen den Metallen und im Fügebereich gemessen und ortsaufgelöst »sichtbar« gemacht werden. Die gemessene Potentialdifferenz liegt sowohl bei den Al/Mg-Verbunden1 als auch bei Al/Stahl-Verbunden2 bei etwa 1 V, jedoch gleichen sich hier in wässriger Umgebung die Potentiale schnell an. Nach 60 min. Elektrolytkontakt ist das Ruhepotential des Stahls dann leicht negativer als das der Aluminium-Legierung, während an Luft noch ein um ca. 1 V positiveres Potential gemessen wurde2. Aufgrund des dann sehr geringen Potentialunterschiedes zwischen dem Stahl und der Aluminium-Legierung ist die Gefahr der beschleunigten Korrosion durch die Bildung eines galvanischen Elementes hier sehr gering. Anders verhält es sich mit Al/Mg-Hybridverbunden. Hier weisen die Ausgangslegierungen auch in Salzlösung eine Differenz von etwa 1 Volt im Ruhepotential auf.
Dies führt insbesondere bei gleichzeitigem Elektrolytkontakt der Magnesiumlegierung und der Schweißnaht zu einer deutlich verstärkten Korrosion des Magnesiums. Die Untersuchungen liefern somit Informationen darüber, ob bei einem Hybridbauteil die Gefahr der Ausbildung eines galvanischen Elementes besteht und in welchen Bereichen verstärkte Korrosion auftreten kann. Diese Bereiche müssen bei einem möglichen Einsatz durch Schutzschichten oder andere Maßnahmen vor dem direkten Kontakt mit korrosiven Medien geschützt werden.
Literatur:
1 S. Benfer, B. Straß, G. Wagner, W. Fürbeth Manufacturing and corrosion properties of ultrasound supported friction stir welded Al/Mg-hybrid joints Surface and Interface Analysis 48 (2016) 843-852
2 M. Thomä, G. Wagner, B. Straß, B. Wolter, S. Benfer, W. Fürbeth Ultrasound enhanced friction stir welding of aluminum and steel: process and properties of ENAW 6061/DC04-Joints Journal of Materials Science & Technology 34 (2018) 163-172
Bildquelle(n): Dreamstime (Tobias Arhelger)
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