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TU Darmstadt

Hochgeschwindigkeitsfügen bei niedrigen Energien

| Autor/ Redakteur: Christiane Gerlitzky, Peter Groche und Benedikt Niessen / Frauke Finus

Schweißen ohne Wärme – Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1640 „Fügen durch plastische Deformation“ werden innovative Fügeverfahren für neuartige Multi-Material-Bauweisen erforscht. Speziell das Kollisionsschweißen bietet die Möglichkeit, allein durch sehr hohe Beschleunigungen Bleche stoffschlüssig zu fügen.

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Bildserie Kollisionsschweißprozess Kupfer.
Bildserie Kollisionsschweißprozess Kupfer.
(Bild: TU Darmstadt)

Seit 2012 erforscht das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1640 „Fügen durch plastische Deformation“ gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft den Prozess des Kollisionsschweißen im Projekt „Untersuchung der Bildungsmechanismen der Fügezone beim Kollisionsschweißen“. Hierbei wird durch einen gezielten Hochgeschwindigkeitsaufprall unter definierten Bedingungen eine hochfeste Verbindung sogar zwischen unterschiedlichen Metallen (zum Beispiel Aluminium und Kupfer) erzeugt. Viele Phänomene dieses Verfahrens beispielsweise das Prozessleuchten und ihr Einfluss auf den Prozess sind aber noch immer nicht vollständig verstanden. Um die Fügemechanismen zu analysieren und das Verständnis der Fügetechnologie zu vertiefen, wurde ein Versuchsstand gebaut, der die Kollision zweier Bleche rein mechanisch ohne den Einsatz von Sprengstoffen oder eines elektromagnetischen Pulses ermöglicht. Der Vorteil dieser Beschleunigungsart ist, dass diese die Beobachtbarkeit des Prozesses durch eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Framerate von bis zu 300 Mio. Bildern pro Sekunde gestattet. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Gegensatz zu industriellen Anwendungen der Fügevorgang quasistationär abläuft und so optimale Voraussetzungen für eine detaillierte Untersuchung der Prozessvorgänge bietet.

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In der dritten und letzten Förderphase ist der Versuchsstand hin zu höheren Aufprallgeschwindigkeiten ausgebaut worden. Hintergrund des Umbaus, war einerseits die Prozessfensteruntersuchungen zu erweitern und Materialkombinationen, welche höhere Energien zur Aktivierung des Schweißvorgangs benötigen, untersuchen zu können.

Der Weg zu höheren Geschwindigkeiten

In der bisherigen Konfiguration starteten die beiden gleichsinnig drehenden Rotoren, an deren Ende je eine der Blechproben montiert ist, mit einem Winkelversatz von 45°. Dieser wurde nach Erreichen der Endgeschwindigkeit innerhalb einer Umdrehung ausgeregelt, indem ein Rotor abgebremst und der andere beschleunigt wurde. Durch eine umfangreiche Reglerauslegung ließ sich so die Kollision wiederholgenau im Beobachtungsfenster hervorrufen. Allerdings war dieses Konzept der Kollisionsauslösung war aufgrund der Massenträgheiten hinsichtlich erreichbarer Geschwindigkeit und Probenmasse begrenzt.

Daher musste ein neuartiger Auslösemechanismus zur Kollision der Blechproben entwickelt werden. Als Anforderungen wurden eine weiterhin hohe Wiederholgenauigkeit der Kollisionsposition und eine signifikante Erhöhung der Aufprallgeschwindigkeit bei nur einer geringen Änderung des bestehenden Aufbaus definiert, um möglichst viele Komponenten weiterverwenden zu können. Das Ergebnis ist eine mechanische Umsetzung. Dabei starten die beiden Rotoren um die Probenbreite in axialer Richtung der Antriebswelle versetzt. Nach Erreichen der Zieldrehzahl wird innerhalb von einer Umdrehung der eine Rotor axial auf der Antriebswelle verschoben. Ein vorgespannter Stift greift zu einem definierten Zeitpunkt in eine an die Rotornabe angeschlossene Spiralnut ein, wodurch die Nabe infolge der Getriebeübersetzung geführt nach vorne geschoben und dann wieder abgebremst wird. Dies führt bei Berücksichtigung der äußerst kurzen Umdrehungszeiten (< 10 ms) zu sehr hohen mechanischen Beanspruchungen der Komponenten infolge der Beschleunigungen, weshalb die bewegten Komponenten gewichtsoptimiert gestaltet wurden.

Erste Ergebnisse der Inbetriebnahme

Auf Basis dieser Erweiterung konnte der Rotordurchmesser um 39 % auf 820 mm und die Drehzahl um 17% auf 6000 U/min gesteigert werden. Dadurch ließ sich die relative Aufprallgeschwindigkeit von 260 m/s auf 515 m/s fast verdoppeln. Zusammen mit den nun verwendbaren schwereren Blechproben ist eine Steigerung der kinetischen Energie um fast eine Zehnerpotenz möglich. Seit der Inbetriebnahme konnten nun bereits weit über 200 Versuche erfolgreich durchgeführt werden. In Bild zwei ist eine Serie von Hochgeschwindigkeitsaufnahme aus einem Versuch mit Kupfer dargestellt.

Durch das im Projekt verbesserte Verständnis und die Kenntnis der ablaufenden Prozesse führt dazu, dass zukünftige Kollisionsschweißverfahren schneller und somit kostengünstiger ausgelegt werden können. Weitere Ergebnisse aus dem Projekt, die innerhalb der letzten sechs Jahre generiert wurden, werden zusammenfassend auf dem Abschlusskolloquiums des Schwerpunktprogramms im Juni 2019 in Darmstadt vorgetragen.

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