Pressschweißen

Prozesse

  • Rührreibschweißen
  • Rührreibpunktschweißen
  • Friction Stir Processing
  • Hybrid Friction Diffusion Bonding
  • Hybrid Friction Eutectic Bonding
  • Ultraschallschweißen (longitudinal/torsional)
  • Diffusionsschweißen
  • Widerstandspunktschweißen

Werkzeug/Systemtechnik

  • Rührreibschweißen mit stehender/gegenläufiger Schulter
  • Prozessüberwachung
  • Prozesscharakterisierung
  • Werkzeugdesign
  • Kraftreduziertes Rührreibschweißen
  • Werkzeugverschleiß
  • Elektrodendesign und einseitiges Widerstandspunktschweißen

Werkstoffe und Analyse

  • Aluminiumdruck- und Aluminiumgusslegierungen
  • Mischverbindungen Al/Al, Al/Cu, Cu/Cu und Al/Stahl
  • Mikrostrukturanalyse
  • Bruchflächenanalyse
  • Alterungsverhalten
  • Ermüdungseigenschaften

Kontakt

M.Sc.
Michael Hasieber

Leitung Pressschweißen

michael.hasieber@tu-ilmenau.de

+49 3677 69 3946

 

Ausgewählte Themenschwerpunkte

Prozessüberwachung mittels künstlicher Intelligenz

Eine zentrale Aufgabe bei der Weiterentwicklung von Pressschweißverfahren ist die Überwachung und Gewährleistung von Prozesssicherheit. Aus diesem Grund werden zunehmend Wechselwirkungen aus dem Fügeprozess verwendet, um Rückschlüsse auf die Qualität bzw. die Beschaffenheit der Fügeverbindung abzuleiten. Hierzu zählen unter anderem topografische Eigenschaften der Fügeverbindung oder messbare Prozessrückwirkungen wie die wirkenden Kräfte, Momente oder Schwingungen. Die Anwendung von künstlicher Intelligenz kann zudem dabei helfen Muster zu erkennen, die auf Instabilitäten oder Unregelmäßigkeiten hindeuten. Hierzu zählen unter anderem Verschmutzungen im Fügebereich und verfahrensbedingter Verschleiß.

Elektrodengeometrie und Werkstoffe beim Widerstandspunktschweißen

Das Widerstandsschweißen ist das etablierteste Verfahren für punktförmige Blechverbindungen als auch für elektromechanische Anwendungen. Als vorteilhaft gelten die hohe Automatisierbarkeit, geringe Prozesskosten, kurze Prozesszeiten sowie der Verzicht auf Fügeelemente und Schweißzusatzwerkstoffe. Der Forschungsschwerpunkt des Fachgebiets liegt hierbei auf der anwendungsgerechten elektrischen und werkstofflichen Anpassung der Elektroden. Um angepasste Kontaktbedingungen zu erreichen werden die Elektroden hinsichtlich vielfältiger Gesichtspunkte optimiert. Dies ermöglicht es sowohl Hybridverbindungen als auch metallische Mischverbindungen herzustellen.

Verschleiß an Ultraschall- und Rührreibschweißwerkzeugen

Das Funktionsprinzip des Ultraschall- und Rührreibschweißverfahrens basiert grundlegend auf einem reibungsinduzierten Wärmeeintrag durch den die zu fügenden Werkstoffe plastifiziert werden. Eine stetige Anwendung bewirkt jedoch, dass an den Kontaktflächen der Werkzeuge verfahrensbedingter Verschleiß auftritt. Eine quantitative und qualitative Analyse des Verschleißes ermöglicht zunächst die Lokalisierung verschleißrelevanter Bereiche sowie die Detektion der wirkenden Mechanismen. Darauf aufbauend werden derzeit Methoden zur Reduzierung, Vorhersage und Prävention des Verschleißes ermittelt.

Dimensionierung von Rührreibschweißwerkzeugen

Die Auslegung von Rührreibschweißwerkzeugen bei der industriellen Anwendung erfolgt zumeist auf Basis von Erfahrungswerten oder empirischen Betrachtungen. Eine Überdimensionierung von Schulter und Schweißstift bewirkt das Auftreten von hohen Prozesskräften, wohingegen eine Unterdimensionierung die Bruchanfälligkeit von Schweißstiften erhöht. Eine geeignete Auslegung der Werkzeuge entsprechend der Fügeaufgabe kann daher als Herausforderung betrachtet werden. In aktuellen Untersuchungen erfolgt die Entwicklung einer Methodik zur Auslegung der Rührreibschweißwerkzeuge basierend auf den real wirkenden Belastungen im Prozess. Somit wird eine individuelle Auslegung der Schweißwerkzeuge in Abhängigkeit der Fügeaufgabe möglich.

Rührreibschweißen mit variierenden Werkzeugkonzepten

Das Rührreibschweißen kann über unterschiedliche Werkzeugkonzepte realisiert werden. Als wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist hierbei die Ansteuerung sowie die Drehrichtung von Schulter und Schweißstift zu nennen. Die Anwendung der jeweiligen Werkzeugkonzepte kann schließlich mit den erforderlichen Nahtanforderungen, Belastungen im Prozess oder der jeweiligen Fügeaufgabe begründet werden. Daher wird in aktuellen Forschungsvorhaben die Kombination verschiedener Werkzeugkonzepte, wie der stehenden Schulter, dem konventionellen Aufbau und einer Variante mit gegenläufiger Drehrichtung von Schulter und Schweißstift untersucht. Die Realisierung verschiedener Werkzeugkonzepte erfolgt dabei mittels einem an der TU Ilmenau entwickelten Spindelaufsatz.

Kraftreduzierung beim Rührreibschweißen

Die Vorteile des Rührreibschweißens resultieren aus den hervorragenden mechanischen und metallurgischen Schweißnahteigenschaften, einer hohen Nahtreproduzierbarkeit und der Realisierung von gleich- und ungleichartigen Fügeverbindungen. Eine Voraussetzung für die Herstellung derartiger Verbindungen ist die Anwendung eines geeigneten Wärmeeintrages, der unter anderem durch die Axialkraft gewährleistet wird. Die wirkenden Prozesskräfte stellen gleichzeitig eine Herausforderung für die Anwendung des Rührreibschweißens dar, wobei auf verformungsanfällige und komplexe Bauteilkomponenten (bspw. Hohlprofile) hingewiesen sei. Zunehmende Anforderungen an Stütz- und Spannstrukturen sind die Folgen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Prozesskräfte kann durch die gezielte Reduzierung von Schulter und Schweißstiftdurchmesser erfolgen (Skalierung). Durch den Ansatz der Werkzeugskalierung können die Prozesskräfte um bis 64% reduziert werden.

Mischverbindungen

Die zukünftigen Herausforderungen an industrielle Produkte werden zunehmend durch Ressourcen und Nachhaltigkeitsanforderungen bestimmt. Gleichzeitig müssen Aspekte zur kosteneffizienten Fertigung berücksichtigt werden. Vor diesem Hintergrund finden Leichtbauanwendungen einen branchenübergreifen Einsatz. Im Bereich des Automobilbaus werden beispielsweise vermehrt Verbindungen aus Aluminium und Kupfer (Al/Cu) eingesetzt, da somit das Fahrzeuggewicht und die erforderlichen Kosten für die Werkstoffe gesenkt werden können. Gleichzeitig muss die Bildung der spröden intermetallischen Phasen reduziert werden. Fügeverbindungen aus Al/Cu oder Al/Stahl die mittels Rührreib- bzw. Rührreibpunktschweißungen, Widerstandspunktschweißen oder Ultraschallschweißen hergestellt werden, unterliegen daher besonderen Anforderungen. Durch die Auswahl des geeigneten Fügeverfahren und eine sorgfältige Analyse der Prozessführung können Aluminium und Kupfer zuverlässig gefügt werden.   

Prozessanalyse

Die prozesssichere Anwendung von Pressschweißverfahren  setzt ein tiefgreifendes Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen dem Werkstoff und dem Fügeverfahren voraus. Diese können mit geeigneten Messverfahren und Analysemethoden detektiert werden. Hierzu zählen unter anderem die im Prozess wirkenden Kräfte, Momente, Temperaturen und Schwingungen. Mittels optischer Methoden wie Thermografie, Laservibrometrie oder Hochgeschwindigkeitsaufnahmen kann das Zusammenwirken von Fügemethode, Werkstoff und Prozessrückwirkungen zuverlässig analysiert werden.

Bewertungsstrategien für Ultraschallschweißverbindungen

Das Ultraschallschweißen ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren, das sich durch schnelle Prozesszeiten auszeichnet. Zudem können damit sowohl gleichartige Werkstoffe sowie Mischverbindungen hergestellt werden. Besonders bewährt hat sich das Ultraschallschweißen beim Fügen von Kabeln bzw. Litze-Ableiter-Verbindungen. Die Bewertung der Fügequalität von derartigen Verbindungen erfolgt bisher jedoch ausschließlich durch die Betrachtung der erzielten Festigkeit. Aus diesem Grund werden derzeit weitere Bewertungsmethoden analysiert die ein tiefgreifendes Verständnis für derartige Verbindungen zulassen.

Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbindungen mittels Widerstandspunktschweißen

Das thermische Fügen von Metallen mit thermoplastischen Kunststoffen ist ein neuartiger Prozess, der mittels Laser- sowie Widerstandsfügen geführt werden kann. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von der Automobilbranche über den Maschinen- und Anlagenbau bis hin zur "weißen Ware" in der Hausgerätetechnik. Das thermische Fügen ermöglicht dabei die direkte Herstellung eines Hybridverbundes ohne zusätzliche Fügeelemente oder Klebstoffe und erlaubt die gleichzeitige Nutzung beider Werkstoffe zur Umsetzung optimierter Bauteilstrukturen. Im Vordergrund der Arbeiten steht dabei die die Verknüpfung von Prozessdesign und resultierenden Werkstoffeigenschaften, dem Alterungs- und Ermüdungsverhalten sowie grundlegenden Betrachtungen zu Grenzfläche und Bindemechanismus.

Diffusionsschweißen

Beim Diffusionsschweißen werden praktische Anwendungen in der Fertigung innenkonturierter Bauteile für Temperierungen sowie der Herstellung von Mischverbindungen adressiert. Außerdem stellt es ein Modellverfahren für andere Festphasen-Fügeprozesse dar, mit dem die rekristallisations- und diffusionsbedingten Vorgänge an den Werkstoffübergängen unter einstellbaren Randbedingungen analysiert werden können.