Modellbildung und Simulation der Phasen- und Strukturumwandlungen beim Elektronenstrahlschweißen von Stahl/Aluminium- und Stahl/Kupfermischverbindungen

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In vielen Anwendungsbereichen der Schweißtechnik, wie z.B. Automobil-, Nutzfahrzeug-, Schienenfahrzeug- oder Flugzeugbau, müssen Konstruktionsgewichte gering gehalten werden. Hierzu ging in der Vergangenheit die Entwicklung in Richtung höherfester Stähle bei gleichzeitiger Minimierung der Wandstärken. Diesem Trend sind jedoch Grenzen gesetzt, da aufgrund der dünnen Wandstärken die Bleche anfangen können zu beulen. Eine Alternative zur reinen Wandstärkenminimierung ist die Verwendung von Materialmischverbindungen. Neben Sandwichbauweisen auf Basis von Materialien wie faserverstärkten Kunststoffen werden in der Industrie aufgrund ihres großen Potenzials auch vielfältig metallische Mischverbindungen erfolgreich eingesetzt. Problematisch sind hier jedoch häufig noch Mischverbindungen artfremder Materialien wie z.B. Stahl/Aluminium oder Stahl/Kupfer. Ein wesentliches Problem beim Schweißen solcher artfremder Mischverbindungen ist beispielsweise intermetallische Phasenbildung, die in schlechten mechanischen Verbindungseigenschaften resultieren kann. Die alternativ eingesetzten kalten Verbindungstechniken Nieten oder Clinchen lassen keine Herstellung geschlossener Systeme zu. Solche Verbindungen sind jedoch von großer Bedeutung, da mit ihnen die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Werkstoffe, z.B. Korrosionsbeständigkeit oder geringes Gewicht, optimal genutzt werden können. Mit Elektronenstrahlschweißverfahren lassen sich artfremde Materialien vergleichsweise gut fügen, da es möglich ist, die Materialien unterschiedlich stark und lokal gezielt zu erhitzen. Die intermetallische Phasenbildung beim Schweißen artfremder metallischer Mischverbindungen ist bisher nicht ausreichend untersucht worden. Daher soll im Rahmen dieses Projektes ein Modell entwickelt werden, mit dem die Mechanismen der Phasen- und Strukturumwandlungen unter Berücksichtigung der intermetallischen Phasenbildung in der Übergangszone beim Elektronenstrahlschweißen artfremder Materialien (Stahl/Aluminiumlegierung und Stahl/Kupferlegierung) beschrieben werden können. Zur Verifikation des Modells wird eine Serie von praktischen Experimenten einschließlich Phasen- und Strukturanalyse der hergestellten Schweißproben durchgeführt. Das erstellte Modell wird in eine geeignete numerische Form überführt, welche eine Integration in bestehende FEM-Simulationssoftware ermöglicht. Im Rahmen des beantragten Projektes erfolgt diese Integration in die Software BeamSIM, die zur Modellierung von Elektronenstrahl- und Laserschweißverfahren entwickelt worden ist. Ziel dieser Implementierung ist es, die jeweils optimalen Schweißparameter für eine Phasenumwandlung unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen zu berechnen. Abschließend wird auf Basis der erzielten Ergebnisse eine technologische Empfehlung für das Elektronenstrahlschweißen von Stählen mit Aluminium- und Kupferlegierungen erstellt, mit der eine Herstellung von Schweißverbindungen, deren mechanische Eigenschaften mindestens gleichwertig zu denen des niedriger festen Grundwerkstoffs sein werden, gewährleistet werden kann.