Untersuchungen zur Robustheit von Kollisionsschweißprozessen bei minimalem Energieeintrag

Das Kollisionsschweißen erlaubt die Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen zwischen artgleichen und artungleichen Metallen mit hoher Verbundfestigkeit und weiteren vorteilhaften Verbindungseigenschaften. Allerdings ist das Prozessverständnis aufgrund der kurzen Prozesszeiten und des komplexen Zusammenspiels verschiedener physikalischer und chemischer Phänomene noch immer lückenhaft. Dadurch bestehen bei der Auslegung von Kollisionsschweißprozessen Unsicherheiten, die zu einem aufwendigen und iterativen Vorgehen führen und ein Potential zu Kosten- und Ressourceneinsparungen bieten.

Das Ziel dieser Arbeit ist daher, das Prozessverständnis hinsichtlich der Prozessgrenzen, der wirkenden Fügemechanismen und der resultierenden Verbindungseigenschaften zu erhöhen, um so die Grundlage für die Auslegung von robusten und energieeffizienten Kollisionsschweißprozessen zu schaffen. Hierfür werden in einem speziell für Grundlagenuntersuchungen entwickelten Modellversuchsstand die Prozessfenster für Aluminium und Kupfer und deren Paarung unter Variation verschiedener Prozessparameter untersucht. Dabei wird der Prozess mittels eines Systems zur Hochgeschwindigkeits-Prozessbeobachtung erfasst. Die gefügten Verbunde werden hinsichtlich ihrer Fläche und Verbundfestigkeit in Abhängigkeit der Prozessgrößen analysiert. Anhand der Ergebnisse kann eine mathematische Beschreibung der Prozessgrenzen basierend auf den auftretenden Phänomenen und den relevanten Einflussgrößen hergeleitet werden. Zudem ergeben sich neue Erkenntnisse über die in verschiedenen Bereichen des Prozessfensters wirkenden Fügemechanismen sowie die resultierenden Verbindungseigenschaften hinsichtlich der gefügten Fläche und der Verbundfestigkeit. Es zeigt sich, dass die durch die Kollision entstehende Partikelwolke eine zentrale Rolle in der Wärmeverteilung zwischen der Kollisionszone und dem sich davor einstellenden Kollisionsspalt einnimmt und damit den Prozess der Verbindungsbildung beeinflusst.

Collision welding allows the manufacturing of metallurgical joints between similar and dissimilar metals with high bond strength and further advantageous joint properties. However, the understanding of the process is still incomplete due to the short process time and the complex interaction of various physical and chemical phenomena. Thus, there are uncertainties in the design of collision welding processes, which leads to a laborious and iterative design procedure and offers potential to reduce costs and the use of resources.

Consequently, the aim of this work is to enhance the process understanding regarding the process boundaries, the acting joining mechanisms and the resulting joint properties to provide the foundation for the design of robust and energy efficient collision welding processes. Therefore, the process windows for aluminum and copper and their pairing are investigated under variation of different process parameters in a model test rig. The process is recorded by a high-speed process observation system. Welded joints are analyzed regarding their surface area and bond strength in dependence to the process parameters. A mathematical description of the process limits based on the phenomena occurring and the relevant influencing variables can be derived from the results. Furthermore, new findings are obtained about the joining mechanisms acting in different areas of the process window as well as the resulting joint properties with respect to the joined area and bond strength. It is shown that the cloud of particles created by the collision plays a crucial role in the heat distribution between the collision zone and the collision gap developing in front, which influences the process of joint formation.