Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualitätssicherung bei elektromagnetisch gepulsten Schweißverbindungen

(QuaSi MPS)

Im Bereich der metallischen Mischverbindungen zeigt sich ein hohes Interesse an Aluminium-Stahl-Verbindungen, die immer häufiger im Transportwesen eingesetzt werden. Ein innovatives Verfahren, mit welchem artfremde, metallische Werkstoffe stoffschlüssig und unter Vermeidung schweißprozessüblicher Nachteile gefügt werden können, ist das Magnetimpulsschweißen (MPS). Das MPS ist bei Mischverbindungen ein in der Industrie noch wenig eingesetztes Fügeverfahren, trotz der Energieeffizienz der MPS Technologie, den im Vergleich zu Laserstrahl- und Rührreibschweißanlagen deutlich geringeren Investitionskosten und deutlich geringeren Verbrauchskosten, der hohen Flexibilität bei kleinen Losgrößen oder häufig unterschiedlichen Werkstoffpaarungen. Dies prädestiniert die MPS Technologie besonders für Anwender aus dem Bereich der KMU, welche bisher zurückhaltend in der Anwendung sind. Zum einen wegen des Mangels ausreichender Erfahrungen, zum anderen wegen fehlender Konzepte zur Qualitätssicherung. Es fehlen Merkblätter und Normen zu Schweißnahteigenschaften (z.B. Schweißnahtfläche, Nahtunregelmäßigkeiten) und deren Auswirkungen auf des Fügeergebnis sowie fehlende Konzepte zur serienbegleitenden Prozesskontrolle, die über ein „reines Mitprotokollieren“ der Anlagenparameter hinausgehen. Die derzeit eingesetzten Konzepte sind zur QS vor allem bei Mischverbindungen nicht ausreichend.

Im Zentrum des Forschungsinteresses steht die Gewährleistung gleichbleibender Schweißqualität. Erst durch die Beherrschung des Prozesses, was QS impliziert, kann sich das MPS als Erweiterung der Schweißmöglichkeiten für das Mischverbindungsschweißen durchsetzen. Hierzu soll die aktive Thermografie qualifiziert und mit Hilfe eines zu erstellenden Fehlerauswirkungskataloges die Qualität von MPS Mischverbindungen zerstörungsfrei im Serientakt bestimmt werden. Durch die zerstörungsfreie Ermittlung und Korrelation der Schweißnahtfläche mit der Festigkeit der Verbindung wird zudem ein Gütemerkmal erarbeitet.

Ergebniszusammenfassung:

Die Eignung der induktiv angeregten Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Beurteilung der Qualität einer MPS-Verbindung wurde im Rahmen des Projektes untersucht und nachgewiesen. Die hierfür benötigten Methoden zur reproduzierbaren Fehlereinbringung wurden entwickelt, vorgestellt und die hergestellten Probekörper der thermografischen Prüfung unterzogen. Zwischen den fehlerfreien und fehlerbehafteten MPS-Verbindungen konnte unterschieden werden. Die Erkenntnisse der Fehlererkennung mit Hilfe der aktiven Thermografie konnten ebenfalls auf anwendungsnahe, magnetpulsgeschweißte Funktionsmuster übertragen werden. Die Ausprägung der Fügefläche beim MPS sowie deren Einfluss auf die Festigkeit der Schweißverbindung wurde untersucht. Die Korrelation der wirksamen Schweißnahtfläche und der maximal ertragbaren Scherzugbelastung konnte nachgewiesen und die Größe der Fügefläche somit als quantitatives Qualitätsmerkmal einer MPS-Verbindung herangezogen werden. Mit Hilfe der aktiven Thermografie konnte die Schweißnahtfläche einer im überlappgeschweißten MPS-Verbindung bei einer Messdauer von ca. 0,2 s zuverlässig bestimmt werden. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit und Minimierung des zeitlichen Aufwands für die Auswertung wurden Algorithmen entwickelt, die automatisierte Berechnung der Fügefläche sowohl anhand der Mikroskopieaufnahmen (Auswertung nach metallografischer Untersuchung) als auch anhand der Thermogramme ermöglichen. Mit der MPS-Technologie steht dem Anwender ein Schweißverfahren zur Verfügung, dass qualitativ hochwertige Verbindung von anspruchsvollen, artfremden Materialkombinationen wie hochfesten Aluminiumlegierungen mit Dualphasenstählen ermöglicht und nun mit der induktionsangeregten Thermografie durch die zerstörungsfreie Bestimmung von Schweißnahtunregelmäßigkeiten sowie der Schweißnahtflächen der vom Anwender geforderten, kosteneffizienten Qualitätssicherung gerecht werden.