Ultraschallschweißen ausgewählter Aluminiumlegierungen mit erhöhter Festigkeit

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1 Ultraschallschweißen ausgewählter Aluminiumlegierungen mit erhöhter Festigkeit Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) der Fakultät für Maschinenbau der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg vorgelegt von Dipl.-Ing. Tino Adam geb. am in Käthen

2 Inhalt Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen Verzeichnis der Bilder Verzeichnis der Tabellen Vorwort 1 Einleitung 1 2 Überblick und Erkenntnisstand 2 3 Das Ultraschallschweißen von Aluminiumwerkstoffen Wissenschaftliche und technische Grundlagen des Ultraschallmetallschweißens Einführung in die Ultraschalltechnik Stellung des Ultraschall-Metallschweißens innerhalb der Pressschweißverfahren Verfahrensabgrenzung gegenüber anderen Pressschweißverfahren Vor- und Nachteile des Verfahrens Prozess der Verbindungsbildung Temperaturen in der Schweißzone Schweißparameter Schweißzeit und Schweißgeschwindigkeit Anpress- bzw. Schweißkraft Schwingungsamplitude Schweißenergie Press- und Schweißmaß als Größe für die Verformung der Fügeteile Arbeitsfrequenz Auswahl der optimierten Schweißparameter Aufbau und Wirkungsweise eines Ultraschallmetallschweißsystems Generator Schwingersystem Schweißpresse Schweißwerkzeuge Schweißprozesssteuerung Anwendungsbeispiele des Ultraschallmetallschweißens Sonderanwendungen des Ultraschallschweißens Ultraschall-Liniennahtschweißen Ultraschall-Rollennahtschweißen Ultraschall-Torsionsschweißen Weitere Sonderanwendungen Ultraschallschweißen von Metallen, insbesondere von Aluminium und seinen Legierungen Ausführungen zum Werkstoff Aluminium Arten und Eigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen Wege zur Beeinflussung der Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe durch thermische und mechanische Behandlung Verhalten bei höheren Temperaturen Ausgewählte Versuchswerkstoffe AlMgSi-Legierungen Aluminiumlegierung T Internationale Werkstoffbezeichnungen für Aluminiumwerkstoffe Schweißen von Aluminiumwerkstoffen 35 V VII VIII XII XIV

3 Allgemeine Gesichtspunkte für das Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen Ultraschallschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen Ultraschall-Rollennahtschweißen von Aluminiumblechen Ultraschallschweißgerechte Vorbereitung der Fügeteile Gestaltung der Schweißwerkzeugarbeitsflächen in Bezug auf Verschleiß und Anschweißneigung an die Fügeteile Prozesssicherheit beim Ultraschallschweißen Zusammenfassung der Auswertung des Schrifttums 43 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 45 5 Versuche zum Ultraschall-Punkt-, -Liniennaht- und -Rollennahtschweißen Probengestaltung Probenabmessungen Probenvorbereitung Eingesetzte Ätzmittel für die metallographischen Untersuchungen Prüfung der Schweißverbindungen Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften durch Erwärmung und Ultraschall Einfluss erhöhter Temperaturen auf die Eigenschaften der untersuchten Aluminiumlegierungen Einfluss der Ultraschallschwingungen auf die Eigenschaften der untersuchten Aluminiumlegierungen Versuche zum Punktschweißen Versuchsanlage Versuchsparameter Versuchsdurchführung Schweißparameteroptimierung und Bestimmung der Verbindungsqualität Untersuchung der Mikrohärte Ordnung der Ergebnisse Ergebnisse zum Ultraschall-Punktschweißen der Legierung С Ergebnisse der Schweißparameteroptimierung Ergebnisse der Mikrohärtemessungen Gefügeaufnahmen und Auswertung der Mikro- und Makroschliffe Ergebnisse zum Ultraschall-Punktschweißen der Legierung А Ergebnisse der Schweißparameteroptimierung Ergebnisse der Mikrohärtemessungen Gefügeaufnahmen und Auswertung der Mikro- und Makroschliffe Ergebnisse zum Ultraschall-Punktschweißen der Legierung D Ergebnisse der Schweißparameteroptimierung Ergebnisse der Mikrohärtemessungen Gefügeaufnahmen und Auswertung der Mikro- und Makroschliffe Ergebnisse zum Ultraschall-Punktschweißen der Legierung T Ergebnisse der Schweißparameteroptimierung Ergebnisse der Mikrohärtemessungen Gefügeaufnahmen und Auswertung der Mikro- und Makroschliffe Zusammenfassender Vergleich der Punktschweißversuche Versuche zum Liniennahtschweißen Versuchsanlage 84 II

4 5.5.2 Sonotroden für das Liniennahtschweißen Probenvorbereitung und Versuchsauf bau Versuchsdurchführung und -parameter Untersuchung der Schwingungsamplituden an den Stirnflächen der verwendeten Schweißsonotroden Auswertung der Ergebnisse zum Ultraschall-Liniennahtschweißen Vorversuche zum Liniennahtschweißen mit Verdrehen der Fügeteile Ergebnisse zum Ultraschall-Liniennahtschweißen der Legierung A Ergebnisse zum Ultraschall-Liniennahtschweißen der Legierung D Zusammenfassung der Ergebnisse zum Ultraschallliniennahtschweißen Versuche zum Rollennahtschweißen Versuchsanlage Probenvorbereitung und Versuchsauf bau Versuchsdurchführung und -parameter Auswertung Probenvorbereitung für die Auswertung Aluminiumlegierung С Aluminiumlegierung А Aluminiumlegierung D Zusammenfassung der Ergebnisse zum Ultraschallrollennahtschweißen Untersuchungen zum Mechanismus der Verbindungsbildung Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit der Fügeteile und der Oberflächenrauigkeiten der Schweißwerkzeuge Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop Aluminiumlegierung С Aluminiumlegierung А Aluminiumlegierung D Aluminiumlegierung T Untersuchung des Einflusses der Sonotrodenrasterung auf die Verbindung und auf das Gefüge der Werkstoffe Untersuchungen der beim Schweißen auftretenden Temperaturen und deren Verteilung Versuche zur Verringerung der Anschweißneigung der Aluminiumwerkstoffe an die Arbeitsflächen der Schweißwerkzeuge Schweißen mit unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten der Arbeitsflächen der Schweißwerkzeuge Schweißen mit zwischengelegter Polyethylen-Folie Schweißen mit Beschichtung der Fügeteile oder der Arbeitsflächen der Schweißwerkzeuge mit Trennmitteln Silikon als Trennmittel Teflon als Trennmittel Einfluss der metallischen Beschichtungen der Arbeitsflächen auf die Anschweißneigung Schweißen mit kupferbeschichteter Sonotrode Schweißen mit der nickelbeschichteten Sonotrode Ultraschallschweißen mit erhöhter Werkstücktemperatur - Ultraschallwarmschweißen Zusammenfassung zur Anschweißneigung und deren Verminderung 1 1 4

5 5.9 Vergleichende Untersuchungen mit anderen Schweißverfahren Versuchsergebnisse der Widerstandsschweißversuche WIG-Punktschweißen Vergleich der Schweißverfahren und Auswertung der Schweißversuche Zusammenfassung und kritische Wertung der Ergebnisse Schrifttum 125 Anhang Al Lebenslauf IV

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