Herstellung integraler metallischer Strukturen durch FSW. Gerhard Biallas DLR Institut für Werkstoff-Forschung

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1 Herstellung integraler metallischer Strukturen durch FSW Gerhard Biallas DLR Institut für Werkstoff-Forschung

2 Übersicht FSW-Nahtgeometrien Stumpfstoß, Überlappstoß, Profile, T-Stoß versteifte Strukturelemente (biaxiale Prüfung) FSW zur Kombination unterschiedlicher Werkstoffe 2024/6056 Aluminium/Stahl Aluminium/Titan Institut für Werkstoff-Forschung Folie 2

3 Reibrührschweißen - Friction stir welding (FSW) Werkzeug- Schulter Stift AS (advancing side) Ende zu verbindende Bleche Schweißnaht Anfang RS (retreating side) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 3

4 Reibrührschweißen von Al wenn kein Werkstoff erwähnt, dann ähnlich 6013 Institut für Werkstoff-Forschung Folie 4

5 (Hydr)Oxidschichten auf AA6013 Friction Stir Weld 48 h in Wasserdampf voroxidiert, root und nugget flaw (OM) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 5

6 (Hydr)Oxidschichten und Lebensdauer bei Ermüdung T-L RF W = 12 mm B = 4 mm R = Hz RF RF WEZ RF/PP WEZ h min 2024 RA 2024 base h min 6013 RA 6013 base x10 6 Bruchlastspielzahl Institut für Werkstoff-Forschung Folie 6

7 Überlappstoß AS RS 2 mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 7

8 Überlappstoß Institut für Werkstoff-Forschung Folie 8

9 FSW von AA6060-Rechteckprofilen (Wandstärke 3 mm) 1 mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 9

10 FSW von AA6060-Rechteckprofilen 1 mm 200 µm 3 mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 10

11 T-Stoß 6013-T6 AA6013 AS RS AA T3 4 mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 11

12 (Hydr)Oxidlinie (Erbslöh und Dalle Donne, 2003) RS AS 100µm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 12

13 Biaxiale Belastung (nur proportionale Belastungen) RS AS Überlapp-T-Stoß (WelAir) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 13

14 Probenfertigung Biax Institut für Werkstoff-Forschung Folie 14

15 Institut für Werkstoff-Forschung Folie 15

16 N = N = R = 0.1, max N = = 100 MPa: Nahtanfang (Späterer Versagensort) N = N = N = Rührbereich (Stringer) Nahtende (Spätere Rissentstehung, Riss bleibt deutlich kleiner ) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 16

17 Risslänge auf der Probenrückseite R = 0.1, max = 100 MPa = MPa = :N f > MPa = MPa = MPa Schwingspiele Institut für Werkstoff-Forschung Folie 17

18 Clip-Stringer-Strukturelement Anfang Ende Anfang Ende Anfang Ende Institut für Werkstoff-Forschung Folie 18

19 Risslänge auf der Probenrückseite R = 0.1, max = 100 MPa = 2 = 1 50 MPa 100 MPa Institut für Werkstoff-Forschung Folie 19

20 Risslänge auf der Probenrückseite = 1 = MPa 50 MPa Institut für Werkstoff-Forschung Folie 20

21 Artverschiedene Verbindungen 2024A/6056 (asw: as welded, pwht: post-weld heat treated 10 h bei 190 C) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 21

22 2024A/6056: Korrosionsangriff 2024A-T3/6056-T6 FSW as-welded 2024A-T8/6056-T7X FSW post-weld heat treated Korrosionsangriff konzentriert sich auf die 6056-Streifen im Nugget Für den pwht-zustand zusätzlich interkristalline Korrosion in den feinkörnigen 2024A-Streifen Institut für Werkstoff-Forschung Folie 22

23 2024A/6056: Elektrochemische Untersuchungen retreating side 2024A-T3/6056-T6 as welded 2024A-T8/6056-T7X pwht advancing side A-T T4 2024A-T T T7X Distance [mm] Institut für Werkstoff-Forschung Folie 23

24 Verbindungen Stahl - Aluminium 6056-T4 Stainless steel 25mm AA6056 RS Steel AS Institut für Werkstoff-Forschung Folie 24

25 Verbindungen Stahl - Aluminium TEM-Übersicht: Rührbereich einer Breite von einigen µm zwischen dem austenitischen Stahl (EDX Punkt 1) und der Al-Legierung (EDX Punkt 6). Reaktionszone von weniger als 1 µm (EDX Punkt 5) auf der Al-Seite. Institut für Werkstoff-Forschung Folie 25

26 Reaktionszone: hexagonale Struktur mit einer a-gitterkonstante von 1.1 nm, vermutlich ähnlich Al 4 Fe mit gelöstem Cr, Ni, Mn Institut für Werkstoff-Forschung Folie 26

27 Verbindungen Titan-Aluminium 500 µm AA2024 RS Ti6Al4V AS 100 µm 1 mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 27

28 Verbindungen Titan-Aluminium Blech 603 Blech ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Weg in mm Institut für Werkstoff-Forschung Folie 28

29 Zusammenfassung verschiedenste Nahtgeometrien möglich Beachtung des Oberflächenzustands der Bleche wichtig, allerdings ist ein Leben mit dem Root/Nugget-Flaw möglich Korrosion vor allem bei artverschiedenen FSW-Verbindungen zu beachten bei Verbindungen über Legierungsgrenzen hinweg Menge intermetallischer Phasen minimieren Wechselseitige Beziehung zwischen Prozesstechnik und Charakterisierung zur Eigenschaftsoptimierung auch für integrale Strukturen Werkstoff-Forschung erforderlich Institut für Werkstoff-Forschung Folie 29

30 Danksagung Ulises Alfaro (Prozesstechnik, Korrosion, Mikrostruktur) Reinhold Braun (Korrosion) Ulrike Dressler (Überlappstöße) Uwe Fuchs (Zugversuche in allen Variationen) Klaus Mull (Wöhlerversuche) Heinz Willi Sauer (Prozesstechnik, Protokoll, Organisation) Martin Schmücker (TEM bei Stahl-Alu und Oxidschichten) Janine Schneider (Metallographie, Biax) Christian Sick (Biax, eingebaut) Karl-Heinz Trautmann (nicht nur Biax, aber da besonders) Tamara Vugrin (Oberflächenschichten) Institut für Werkstoff-Forschung Folie 30