Verzug beim Schweißen von dickem Aluminium kontrollieren

In der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau, im Schienenverkehr, bei Spezialfahrzeugen und bei Großanlagen werden zunehmend leichte Konstruktionen mit hoher Festigkeit, langer Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit benötigt. Aluminiumlegierungen sind wichtige Konstruktionswerkstoffe, da sie hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Duktilität und gute Korrosionsbeständigkeit vereinen.

Die Forschung in den USA zu hochfestem Aluminium begann in den 1940er Jahren. Im Jahr 1956 wurde eine versatzgehärtete 5083 Al-Mg-Mn-Platte versuchsweise hergestellt. Da ihre Gesamtleistung bei einigen Anwendungen, die hohe Festigkeit erforderten, begrenzt war, folgte Anfang der 1960er Jahre die wärmebehandelbare 7039 Al-Zn-Mg-Legierung. Aufgrund ihrer hohen Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion war sie jedoch für eine längere Einwirkung von Meerwasser oder Salznebel ungeeignet. In den 1980er Jahren entwickelten die Vereinigten Staaten, die ehemalige Sowjetunion und andere Länder eine neue Generation hochfester Legierungen. Die in den USA entwickelte Al-Cu-Legierung 2519-T87 bietet hohe Festigkeit, ausgewogene mechanische Eigenschaften, Beständigkeit gegen Spannungskorrosion und Schweißbarkeit.

Hochfeste Legierungen der neuen Generation, insbesondere Al-Cu-2xxx-Legierungen, bieten eine höhere strukturelle Festigkeit und eine verbesserte Spannungskorrosionsbeständigkeit für große Konstruktionen in anspruchsvollen Umgebungen. Das Schweißen führt jedoch nach wie vor zu einer Erweichung der Verbindung und einem niedrigen Festigkeitskoeffizienten der Verbindung. Bei großen Präzisionskonstruktionen muss zudem die Schweißverformung auf weniger als ein Drittel der bei herkömmlichen Schweißverfahren auftretenden Verformung begrenzt werden.

Herausforderungen bei Produkten und Prozessen

Die Hauptschwierigkeiten sind eine starke Erweichung der Fugen und ein niedriger Festigkeitskoeffizient; ein feuerfester Oberflächenfilm aus Al₂O₃ mit einem Schmelzpunkt von 2.060 °C; der hohe Energieaufwand, der bei dickem, hochfestem Material erforderlich ist; die Anfälligkeit für Heißrisse und Poren; sowie Verformungen, die durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen großen linearen Ausdehnungskoeffizienten verursacht werden. Verformungen lassen sich insbesondere bei einer Dicke von über 20 mm nur schwer kontrollieren, daher müssen die Maßnahmen technisch fundiert und für die Fertigung in der Werkstatt praktikabel sein.

Maßnahmen zur Verzugskontrolle

1. Wählen Sie das Schweißverfahren aus

Eine dicke Aluminiumplatte leitet Wärme schnell weiter und begünstigt einen Prozess mit hoher Leistungsdichte. Bei Tests mit Ein- und Zweidraht-MIG-Schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibrührschweißen und Laser-MIG-Hybridschweißen erwies sich das Zweidraht-Schweißen als das geeignete Produktionsverfahren.

Beim Ein-Draht-MIG-Verfahren kamen niederfrequente zusammengesetzte Impulse zum Einsatz. Die Schwingungen des Schweißbads verstärkten die Durchmischung, förderten die heterogene Keimbildung während der Erstarrung, verfeinerten die Schweißnahtstruktur und verbesserten durch elektromagnetische Durchmischung die Festigkeit und Duktilität. Die Schweißnaht erreichte oder übertraf die angestrebten Zugfestigkeitswerte. Die Versuche ergaben eine günstige Kombination aus Vorschubgeschwindigkeit, Stromstärke und niederfrequenten Modulationsimpulsen.

Das Hochgeschwindigkeits-Zweidrahtschweißen führte zu einer hochfesten Verbindung. Der Vergleich zwischen dem Zweidraht-MIG-Schweißen mit hohem Strom in zwei Durchgängen und dem Zweidraht-MIG-Schweißen mit niedrigem Strom in vier Durchgängen führte zur Ermittlung von Mehrdurchgangsparametern mit hohem Strom, die die Vorteile beider Verfahren vereinen. Die Zugfestigkeit der Verbindung betrug 296 MPa, was 62% des Grundmetalls entspricht, und die Schlagzähigkeit lag bei 13 J/cm², was 42% des Grundmetalls entspricht.

Es wurden drei Verfahren verglichen: das herkömmliche Schweißen mit einer Y-Fuge, das Schweißen mit einer X-Fuge und das Vibrationsschweißen mit einer X-Fuge. Durch die X-Fuge konnte die Verformung auf ein Fünftel des bei herkömmlichen Verfahren erzielten Wertes reduziert werden, während das Vibrationsschweißen diese Verformung noch weiter verringerte.

2. Berechnung und Optimierung der Schweißreihenfolge

Bei einer großen Konstruktion mit vielen Schweißnähten sollten Sie jede Schweißnaht nummerieren und anhand der Konstruktionsmerkmale eine Anfangsreihenfolge festlegen. Bei einer Konstruktion mit 16 Hauptschweißnähten wurden beispielsweise zunächst die Nummern 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16 verwendet. Mithilfe der Finite-Elemente-Analyse lassen sich mögliche Reihenfolgen vergleichen und eine solche ermitteln, die eine geringere Verformung und eine günstigere Spannungsverteilung aufweist.

Analysieren Sie zunächst die Schweißgangfolge innerhalb einer einzelnen Mehrlagennähte, da diese sowohl die Größe als auch die Verteilung der Restspannung beeinflusst. Die Festlegung einer spannungsarmen Schweißgangfolge vor dem Werkstattschweißen trägt dazu bei, die endgültige Restspannung zu begrenzen.

Anschließend wurde die Gesamtreihenfolge der Nähte optimiert. Durch die Änderung der Öffnungsreihenfolge von 1, 3, 4, 2 auf 1, 3, 2, 4 veränderte sich die Spannungsverteilung erheblich. Die zweite Reihenfolge reduzierte den Bereich oberhalb von 300 MPa, was die Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse verbessern kann.

3. Einsatz von Vibrationsentlastung zur Stabilisierung von Spannungen und Abmessungen

Die dynamische Beanspruchung ist ein Schlüsselparameter bei der Schwingungsentlastung. Der Erreger übt eine dynamische Beanspruchung aus, die einer zyklisch wechselnden Belastung entspricht. Wenn sich diese Beanspruchung mit der ursprünglichen Eigenspannung verbindet und eine lokale oder allgemeine plastische Verformung verursacht, kann sich die Eigenspannung entspannen, gleichmäßiger werden und abnehmen, während die Metallmatrix widerstandsfähiger gegen Verformungen wird.

Die allgemeinen Kriterien lauten σ_dynamisch + σ_Rest- ≥ σ_s, wobei σ_s ist die Fließspannung, die erforderlich ist, damit sich die plastische Verformung ausbreitet und eine makroskopische Verformung hervorruft; σ_dynamisch/σ_Rest- = 0,1–0,3; und die Amplitude der dynamischen Beanspruchung sollte ein Drittel bis zwei Drittel der Betriebsspannung des Bauteils erreichen. Innerhalb eines geeigneten Bereichs führt eine höhere dynamische Beanspruchung zu einer größeren Dehnung und entlastet das Bauteil effektiver. Eine zu hohe dynamische Beanspruchung kann das Werkstück beschädigen oder die Ermüdungslebensdauer verringern.

Bei den Tests kam ein Vibrationsentlastungsgerät vom Typ WZ-86A zum Einsatz, das von der Firma Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. hergestellt wurde. Durch dieses Verfahren konnten die Schweißrestspannungen innerhalb von 0,3σ gehalten werden._s.

Im Rahmen der Versuche wurden die produktspezifischen Parameter für die Schwingungsentlastung ermittelt und umgesetzt.

Ergebnis der Verzugskontrolle

Ein serienreifer Schweißprozess, Vergleichstests zu Fugenformen, Parametern und Abläufen sowie eine Schwingungsentlastung reduzierten die Restspannungen und Verformungen, ohne die mechanische Festigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Der optimierte Prozess begrenzte die Verformung auf ein Drittel des bei herkömmlichen Schweißverfahren erzielten Wertes und erfüllte damit die Konstruktions- und Fertigungsanforderungen für große, hochfeste Konstruktionen.

Neben der Luft- und Raumfahrt, dem Schiffsbau, dem Schienenverkehr und Großmaschinen eignet sich das Verfahren auch für ausgewählte Spezialfahrzeuge, leichte Schutzkonstruktionen und andere hochfeste Aluminiumkomponenten.