Wie funktioniert das Elektronenstrahl-Drahtauftragsverfahren für Aluminiumlegierungen?

Die Elektronenstrahl-Drahtabscheidung wird als 3D-Druckverfahren für Aluminiumlegierungen eingesetzt. Aluminiumlegierungen vereinen geringes Gewicht und hohe Festigkeit mit guter Duktilität, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit. Diese physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften ermöglichen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Schienenverkehr, bei Waffen, bei Lagertanks, bei Haushaltsgeräten, im Bauwesen und bei Baustoffen. Seit den 1960er Jahren werden Aluminiumlegierungen in großem Umfang in der Serienfertigung im Schienen- und Automobilbau eingesetzt.

Aluminiumlegierungen lassen sich auf verschiedene Weise klassifizieren. Nach dem grundlegenden Verarbeitungsverfahren werden sie in Guss- und Knetlegierungen unterteilt. Nach ihrem Verwendungszweck umfassen sie Reinaluminium, korrosionsbeständiges Aluminium, Duraluminium, Superduraluminium und Spezialaluminium. Nach ihrem Verhalten bei der Wärmebehandlung werden sie in wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen unterteilt. Nach den Hauptlegierungselementen werden sie in acht Serien unterteilt. In einer separaten Übersicht werden die acht Aluminiumlegierungsserien behandelt.

Werkstoffeigenschaften und Schweißbarkeit

Da bei der Elektronenstrahlabscheidung Material in Form von Draht zugeführt wird, ähnelt das Prozessverhalten dem Schweißen, insbesondere dem Schweißen mit Schweißdraht. Die Schweißbarkeit muss daher vor der Abscheidung bewertet werden. Aluminiumlegierungen sind grundsätzlich gut schweißbar, doch können verschiedene Eigenschaften den Schweißvorgang und die Drahtabscheidung beeinträchtigen.

Starke Oxidation

Aluminium reagiert leicht mit dem Sauerstoff in der Luft und beim Schweißen unter Bildung von Al₂O₃ Schicht. Aluminiumoxid hat einen hohen Schmelzpunkt, ist chemisch und physikalisch stabil, lässt sich nur schwer entfernen und nimmt Feuchtigkeit stark auf. Die Oberflächenschicht erschwert das Schmelzen des Grundmetalls und kann zu Schlackeneinschlüssen, unvollständiger Verschmelzung und unvollständigem Durchschmelzen führen. Aufgenommene Feuchtigkeit kann in die Schweißnaht eindringen und Porosität verursachen.

Vor dem Schweißen muss die Oberfläche durch mechanisches Schleifen oder chemische Verfahren gründlich gereinigt werden, um Al zu entfernen.₂O₃. Auch die Schweißzone muss wirksam geschützt werden. Beim WIG-Schweißen wird üblicherweise Wechselstrom verwendet, damit der Oxidfilm durch kathodische Reinigung entfernt wird.

Thermophysikalisches Verhalten

Aluminiumlegierungen weisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität auf als Stahl. Die Wärme wird schnell in das Substrat geleitet und aus der Schweißzone abgeleitet, sodass unter Umständen ein Vorwärmen erforderlich ist. Ihr hoher linearer Ausdehnungskoeffizient begünstigt zudem Heißrisse und Verformungen. Die Zusammensetzung des Schweißdrahts kann angepasst werden, um Heißrisse zu unterdrücken, während das Vorwärmen dazu beitragen kann, Verformungen zu begrenzen.

Porosität

Flüssiges Aluminium kann weitaus mehr Wasserstoff lösen als festes Aluminium; die Wasserstofflöslichkeit unterscheidet sich zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand um den Faktor 17,5. Der niedrige Schmelzpunkt und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium führen dazu, dass das Schweißbad schnell erstarrt, wodurch dem Wasserstoff nicht genügend Zeit zum Entweichen bleibt und die Bildung von Wasserstoffporen begünstigt wird. Das Al₂O₃ Der Film trocknet nach der Reinigung fast augenblicklich, und die adsorbierte Feuchtigkeit wird zu einer wichtigen Wasserstoffquelle. Wasserstoffquellen müssen daher streng kontrolliert werden.

Schweißnahtbildung

Die Perlenbildung ist aus zwei Gründen schwierig. Aluminium zeigt vor dem Schmelzen keine erkennbare Farbveränderung, wodurch sich die Formungsbedingungen nur schwer einschätzen lassen, und seine geringe Hochtemperaturfestigkeit bietet der Schmelze nur wenig Halt, was das Risiko eines Durchbrennens erhöht.

Veränderungen der Verbindungseigenschaften

1. Die Verdampfung und der Verlust von Mn, Mg und Zn bei Schweißtemperaturen verringern die Menge der für die Bildung von Festigkeitsphasen verfügbaren Elemente und verschlechtern die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht.
2. Die Rekristallisation in der Wärmeeinflusszone verringert die Festigkeit von verformungsgehärteten oder lösungsgealterten Legierungen.
3. Aluminium weist ein flächenzentriertes kubisches Gitter auf und hat keine Allotrope, sodass der Temperaturzyklus keine Phasenumwandlung hervorruft, die zu einer Verfeinerung der Körner führen könnte; die Schweißkörner bleiben daher relativ grob.

Das Elektronenstrahlschweißen findet im Vakuum statt, wodurch jeglicher Kontakt zwischen dem Aluminium und der Luft während des Schweißvorgangs vermieden wird. Eine gründliche Reinigung vor dem Schweißen zur Entfernung von Al₂O₃ ist nach wie vor unerlässlich, wobei die Reinigung des Aluminiumdrahts vor dem Auftragen besonders wichtig ist. Durch die Wahl der richtigen Drahtzusammensetzung lassen sich zudem Heißrisse und damit verbundene Fehler vermeiden. Schweißdraht der Legierung 2219 wird häufig für das Elektronenstrahl-Drahtauftragen verwendet.