Forschung

Improvement of corrosion resistance of friction stir welded (FSW) aluminum structures – (RührKorro)

Kurzdarstellung

Das Rührreibschweißen (FSW) gewinnt in vielen Bereichen der Fertigungstechnik zunehmend an Bedeutung und entwickelt sich zu einem Verfahren, das den Bereich der Nischenanwendungen verlassen hat und auch bei namhaften Herstellern Einzug in die Produktion findet. Das FSW ist insbesondere technologisch attraktiv, da die stoffschlüssige Verbindung der Fügepartner deutlich unter der Schmelztemperatur erfolgt. Somit treten weder Heißrisse noch Porositätserscheinungen durch Gaseinschlüsse auf und Bauteilverzug wird minimiert. Dadurch sind Aluminiumlegierungen mittels FSW schweißbar, die im Allgemeinen als nicht schweißgeeignet gelten. Besonders die Schweißbarkeit von hochfesten Aluminiumknetlegierungen der 7000er Reihe bringt Vorteile in hochbeanspruchten Bereichen von Leichtbauanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und dem Automobilbau mit sich.

Rührreibschweißen beeinflusst in einzigartiger Weise das Schweißnahtgefüge: Das Aufbrechen von Ausscheidungen durch die hohe plastische Deformation verändert die bisher bekannten Korrosionsmechanismen der hochfesten Aluminiumlegierungen der 7000er Reihe. Die beim FSW entstehende Mikrostruktur kann in nachfolgende Zonen unterteilt werden.

• Rührzone (RZ)
• Thermo-mechanisch beeinflusste Zone (TMAZ)
• Wärmeeinflusszone (WEZ) sowie
• Unbeeinflusster Grundwerkstoff (GW)

Das Korrosionsverhalten variiert dabei in Abhängigkeit von den jeweiligen mikrostrukturellen Bereichen und der Lage der Schweißung. Letzter Aspekt ist vor allem auf heterogene Reibgeschwindigkeiten zwischen der Gegenlaufseite und Gleichlaufseite zurückzuführen, was wiederum einen Einfluss auf die lokale thermische Beanspruchung hat. Im Zusammenhang mit den spezifischen Aluminiumknetwerkstoffen fehlt ein für die „breite Anwendung“ des Schweißverfahrens erforderliches und wirtschaftlich relevantes Verständnis des Schweißparameter-Wirkungsprinzips. Die gilt auch im Hinblick auf die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit.

Das Hauptforschungsziel ist es, eine anforderungsgerechte Adaption des FSW für hochfeste Aluminiumlegierungen mit optimierten Bauteil- und Korrosionseigenschaften in der Schweißnaht und WEZ zu finden. Die Identifizierung und Klärung der Korrosionsmechanismen beim FSW in den einzelnen Zonen (RZ, TMAZ, WEZ, GW) und eine Untersuchung der Neigung zur interkristallinen Korrosion in der WEZ sind notwendig. Dafür wird die Möglichkeit zur Beeinflussung der schadensrelevanten Korrosionsmechanismen durch die Schweißparameter und gegebenenfalls der Einsatz des Unterwasserschweißung ermittelt. Außerdem werden optimale Schweißparameter in Abhängigkeit von Korrosionsspannung (Passivität) und materialbezogenen Randbedingungen (GW zu Schweißnaht und GW zu WEZ) identifiziert. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sowohl ein geringerer Temperaturgradient als auch eine Reduktion der Spitztemperatur eine Vergröberung der Ausscheidungen verhindert. Daher ergeben sich zwei Lösungsansätze, die im Rahmen des vorliegenden Projektes betrachtet werden sollen: Minimierung der Wärmeeinbringung durch Optimierung der FSW-Parameter und Erhöhung der Wärmeabfuhr durch Schweißen unter Wasser.

Beteiligte Forschungseinrichtungen

Forschungseinrichtung I:
Universität Kassel
tff – Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm

Forschungseinrichtung II:
Technische Universität Darmstadt
Zentrum für Konstruktionswerkstoffe
Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben Nr. 21.433 N/ DVS-Nr. 05.3296 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. Den vorgenannten Einrichtungen sei für die Betreuung und Förderung an dieser Stelle sehr herzlich gedankt.