Forscher schlagen neuen Hybrid-Resistenzfleck vor

Forscher des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben ein neues hybrides Widerstands-Punktlaserschweißverfahren entwickelt, um Aluminium mit Stahl zu verbinden. Der Prozess, der in einem frei zugänglichen Artikel in der Zeitschrift Materials & Design beschrieben wird, führt zunächst ein Widerstandspunktschweißen von unterschiedlichen Materialien aus Aluminium und Stahl durch, gefolgt von einem Laserpunktschweißen.

Der Einsatz unterschiedlicher Aluminium-Stahl-Karosseriestrukturen ist eine der Schlüssellösungen in der Automobilindustrie, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Daher wurden in den letzten Jahrzehnten viele Forschungsarbeiten durchgeführt, um qualitativ hochwertige Verbindungen unter Verwendung unterschiedlicher Materialien aus Aluminium und Stahl zu erreichen. Es gibt jedoch zwei große Herausforderungen beim Schweißen von Aluminium mit unterschiedlichen Stahlmaterialien.

Zum einen führt die extrem geringe Löslichkeit von Eisen in Aluminium (∼0,03 %) zur leichten Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMC: z. B. FeAl3 und Fe2Al5) in der Schweißnaht anstelle von Phasen fester Lösung während des Schweißprozesses; Das andere Hindernis betrifft große thermische Spannungen und Restspannungen, die in den Schweißnähten aufgrund der unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften von Aluminium und Stahl, wie z. B. des Wärmeausdehnungskoeffizienten, entstehen, was zur Rissbildung in der IMC-Schicht und/oder der Schweißnaht führt und so die plastische Verformung verringert Belastbarkeit und Ermüdungsverhalten der Schweißnaht.

… Das Widerstandspunktschweißen (RSW) ist aufgrund seiner hohen Effizienz und niedrigen Kosten eine der gängigen Verbindungsmethoden für die Herstellung von Rohkarosserien (BIW). … Trotz der Vorteile des Verbindens homogener Materialien ist es mit dem herkömmlichen RSW-Verfahren immer noch schwierig, unterschiedliche Metalle aus Aluminium und Stahl direkt zu verbinden.

… In den letzten Jahren hat das Laserschweißen viele Vorteile gezeigt, wie z. B. eine hohe Produktionseffizienz und einen geringen Wärmeeintrag, und seine Anwendung hat in der Automobilindustrie nach und nach zugenommen. … Das Laserschweißen von Aluminium mit Stahl stellt jedoch immer noch eine große Herausforderung dar, da sich viele Risse und sprödes IMC bilden, was eine breite Verwendung beim Verbinden von Aluminium und Stahl verhindert.

Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, die Vorteile des RSW- und Laserschweißens voll auszuschöpfen, um unterschiedliche Metalle aus Aluminium und Stahl zu verbinden. Es wird ein Hybrid-Widerstandslaser-Punktschweißverfahren (HRLW) vorgeschlagen, das auf innovative Weise ein speziell entwickeltes RSW-Verfahren mit dem Laserschweißen kombiniert.

Lee et al.

Die Punktschweißungen werden durch Widerstandspunktschweiß-Verbindungstechnik hergestellt; Um die Schweißpunkte herum werden anschließend kreisförmige Schweißnähte mittels Laserflugschweißtechnik hergestellt.

Die Forscher fanden heraus, dass durch die Änderung der Verbindungsstruktur und die Kontrolle der Dicke spröder intermetallischer Verbindungen erhebliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Stahl-Verbindungen erzielt wurden. Die Widerstandspunktschweißung hatte eine beträchtliche Zug-Scherbelastung, aber eine schlechte Duktilität und Energieabsorption aufgrund des Vorhandenseins eines schwachen Bindungsbereichs am Rand der Verbindung, was die Rissentstehung und schnelle Ausbreitung begünstigte.

Der folgende Laserpunktschweißprozess wurde im schwachen Bindungsbereich der Widerstandspunktschweißverbindung durchgeführt, wodurch eine schnelle Ausbreitung der Risse entlang der Stoßstelle (eine Stoßfläche ist eine der Oberflächen, die an einer Verbindung in Kontakt stehen) verhindert und ein Bruch der Grenzfläche vermieden wurde.

Im Vergleich zu Widerstandspunktschweißverbindungen konnten die Zug-Scher-Spitzenlast und die Energieaufnahme bei Hybridschweißverbindungen um 18,2 % bzw. 424,8 % erhöht werden.

Ressourcen

Mingfeng Li et al. (2022) „Hybrid-Widerstandslaser-Punktschweißen von Aluminium auf stahlunähnliche Materialien: Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften“, Materials & Design doi: 10.1016/j.matdes.2022.111022

Gepostet am 06. September 2022 in Fertigung, Markthintergrund, Materialien, Gewichtsreduzierung | Permalink | Kommentare (0)