Kurzzusammenfassung zum Schlussbericht

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3 Kurzzusammenfassung zum Schlussbericht Forschungsstelle 1 Institut für Werkstoffkunde (IfW) der TU Darmstadt Forschungsstelle 2 Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen AiF-Vorhaben-Nr N Thema: Einfluss der Vor- und Nachbehandlung von Magnesiumhalbzeugen auf die Qualität und das Korrosionsverhalten geschweißter Magnesiumwerkstoffe Die Qualität einer Schweißnaht ist bei Magnesiumhalbzeugen abhängig von der Vorbehandlung. Neben der Vorbehandlungsmethode ist die Wartezeit zwischen der Entfernung der O- xidschicht und dem Schweißprozess von entscheidender Bedeutung. Durch die Vorbehandlungsmethoden Sandstrahlen und Schleifen wurde die Oberflächengüte der Schweißnaht optimiert, wobei dieser Effekt bei einer verlängerten Wartezeit nur in abgeschwächter Form zu beobachten war. Beizen führte stets zu kraterartigen Auswürfen und Prozessinstabilitäten aufgrund von nicht vollständig entfernten Beizrückständen. Der Einfluss der Vorbehandlung und Wartezeit auf die Porenbildung war zum größten Teil vernachlässigbar. Der Einfluss auf die Zugfestigkeit konnte nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der Kombination aus Verfahren und Legierung besaßen unbehandelte, geschliffene oder sandgestrahlte geschweißte Bleche die höchste Zugfestigkeit. Gebeizte Proben wiesen stets die schlechteste Zugfestigkeit auf. Durch den Einsatz von Zusatzwerkstoff konnten die mechanischen Kennwerte und der Nahteinfall beim Laser- und Elektronenstrahlschweißen weiter optimiert werden. Die Knetlegierungen AZ31 und AZ61 ließen sich mit allen verwendeten Schweißverfahren gut verschweißen. Beim Schweißen der reinen Gusslegierung AZ91 und deren Kombination mit AZ61 waren Poren unvermeidbar. Dennoch wurde bei diesem Werkstoff stets die Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes AZ91 erzielt. Im Rahmen der im vorangegangenen Vorhaben durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass Verunreinigungen, insbesondere in der Oberfläche der Grundwerkstoffe, wesentlichen Einfluss auf die lokale Korrosionsbeständigkeit der geschweißten Magnesiumlegierungen haben [1,2,3]. In Korrosionsprüfungen und untersuchungen unter praxisnahen Bedingungen (filmartige Benetzung mit chloridhaltigen Korrosionselektrolytlösungen) wurden im vorliegenden Vorhaben mittels verschiedener Schweißverfahren gefügte Verbindungen gebräuchlicher Magnesium-Legierungen untersucht und die Auswirkungen der Behandlung der Oberflächen (Schleifen, Beizen, etc.) auf das Korrosionsverhalten ermittelt. Insbesondere anhand von elektrochemischen Untersuchungen ist deutlich geworden, dass der Oberflächenzustand hinsichtlich dessen Verunreinigung aufgrund der Behinderung der Passivierung der Oberfläche als grundlegend für das Korrosionsverhalten anzusehen ist. Ein vollständiges Abtragen der Oberfläche mittels Schleifen verhindert in der Regel das Auftreten lokaler Korrosionserscheinungen in der Schweißzone. Durch chemisches Beizen ist ebenfalls eine signifikante Reduzierung der Anfälligkeit für lokale Korrosion in der Schweißzone möglich. Die Beizprozesse müssen jedoch hinsichtlich der eingesetzten Säuren und Beizzeiten an den jeweiligen Anwendungsfall (Legierungszusammensetzung, Grad der Verunreinigung der Halbzeuge) angepasst werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

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5 0 Verzeichnisse und Vorwort Inhaltsverzeichnis AiF-Abschlussbericht (Nr N) 0 Vorwort... XVIII 0.1 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen... XVIII 0.2 Darstellung der erzielten Ergebnisse, wissenschaftlich-technischer, wirtschaftlicher Nutzen, innovativer Beitrag insbesondere für KMU... XX 0.3 Veröffentlichung... XXII 0.4 Hinweis auf Förderung... XXII 1 Einleitung Problemstellung und Zielsetzung Stand des Wissens, Literatur Schmelzmetallurgisches Fügen von Magnesium-Legierungen Korrosionsverhalten von Magnesium-Legierungen Allgemeines Korrosionsverhalten Passivität Einfluss der Gefügeausbildung Einfluss von Verunreinigungen Korrosionsverhalten der Schweißverbindungen Grundlagen Schwingungsrisskorrosion geschweißter Verbindungen Zusammenfassung der Ergebnisse des Vorläufervorhabens Schweißtechnische Untersuchungen Korrosionsuntersuchungen Eingesetzte Grundwerkstoffe und Schweißzusatzwerkstoffe und Aufgabenverteilung ISF / IfW Grundwerkstoffe und Schweißzusatzwerkstoffe Aufgabenverteilung Schweißtechnischen Untersuchungen (ISF) Prüfverfahren Sichtprüfung Seite I

6 0 Verzeichnisse und Vorwort Metallographische Untersuchung Härtemessung Zugversuch Probenbezeichnung und durchgeführte Vorbehandlungen Fügeverfahren und Versuchsauswertung Plasmaschweißen Verfahren und Anlagentechnik Plasmaschweißversuche an Magnesiumlegierungen Laserstrahlschweißen Grundlagen Laserstrahlschweißverfahren Versuchsvorbereitung und durchführung Laser-MSG-Hybridschweißweißen Grundlagen Hybridschweißverfahren Laser-MSG-Hybridschweißversuche an Magnesiumlegierungen Elektronenstrahlschweißen im Vakuum Grundlagen des Elektronenstrahlschweißens Elektronenstrahlschweißversuche an Magnesiumlegierungen Korrosionsuntersuchungen an Schweißverbindungen (IfW) Grundlagen der Korrosion von Schweißverbindungen mit Magnesium- Legierungen Versuchsdurchführung Durchführung der Oberflächenvor- /nachbehandlungen Unbehandelte Oberflächen Geschliffene Oberflächen Gebeizte Oberflächen Sandgestrahlte Oberflächen Zusammenfassung Oberflächenbehandlungen Begleitende Untersuchungen Werkstoffzusammensetzungen - Bulk-Analyse Seite II

7 0 Verzeichnisse und Vorwort Dokumentation der Oberflächen - Rasterelektronenmikroskopie Zusammensetzung der Oberflächen (energiedispersive Röntgenspektrometrie) Zusammensetzung der Oberflächen (Glimmentladungspektroskopie) Gefügeausbildung (Metallografie) Oberflächentopografie (Tiefenprofil-Analyse) Untersuchungen des Korrosionsverhaltens der Schweißverbindungen VDA-Klima-Wechseltests, Immersionsversuche, Freibewitterung Elektrochemische Untersuchungen Schwingungsrisskorrosionsuntersuchungen (SwRK) Versuchsergebnisse und Auswertung Gefüge und Oberflächenzustand der Schweißverbindungen in Abhängigkeit der Vor- / bzw. Nachbehandlung Ergebnisse der metallografischen Untersuchungen Ergebnisse der rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen und energiedispersiven Elementanalysen Korrosionsverhalten der Schweißverbindungen in Abhängigkeit der Vor- bzw. Nachbehandlung Korrosionsverhalten unter praxisnahen Bedingungen, Ergebnisse der VDA-Wechseltests Ergebnisse der Freibewitterung Ergebnisse der elektrochemischen Untersuchungen Ergebnisse der Schwingungsrisskorrosionsuntersuchungen Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse (IfW) Einfluss oberflächennaher Verunreinigungen der Grundwerkstoffe auf die Lokalkorrosion Einfluss von Schweißzusatzwerkstoffen Seite III

8 0 Verzeichnisse und Vorwort Beeinflussung der Korrosionseigenschaften der Schweißverbindungen durch abtragende Behandlung der Oberflächen vor bzw. nach dem Schweißen Schweißverbindungen von Magnesium-Legierungen mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten Schwingungsrisskorrosion Zusammenfassung Literaturverzeichnis Seite IV

9 0 Verzeichnisse und Vorwort Bildverzeichnis Bild 2-1: AZ91, laserstrahlgeschweißt, 24 h Salzsprühtest, 5 % NaCl... 3 Bild 2-2: REM-Aufnahme, AZ91, plasmageschweißt, 1 h Tauchversuch, 5 % NaCl... 3 Bild 2-3: EDX-Analyse, AZ91, Oberfläche... 4 Bild 3-1: Einflussgrößen auf die Eigenschaften der Schweißung Bild 5-1: Maße der Zugprobe nach DIN EN Bild 5-2: Kraft-Verlängerungs-Diagramm Bild 5-3: Schlüssel für die Probenbezeichnung Bild 5-4: Versuchsmatrix mit Vorbehandlungsmethoden Bild 5-5: Stromfluss beim Plasmaschweißen mit positiv gepolter Elektrode [65] Bild 5-6: Aufbau eines Plasmabrenners Bild 5-7: Plasmabrenner mit Einspannvorrichtung und Verfahrtisch Bild 5-8: Technische Daten der Stromquelle zum Plasmaschweißen Bild 5-9: Technische Daten des Plasmaschweißbrenners Bild 5-10: Einspannvorrichtung (links), Brenneraufbau (rechts) Bild 5-11: Anordnung der Bleche bei den I-Stoßverbindungsschweißungen.. 36 Bild 5-12: Empirisch ermittelte optimale Parameter für AZ31 und AZ Bild 5-13: Sichtprüfung bei unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht Bild 5-14: Makroschliffe bei unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht Bild 5-15: Makro- und Mikroschliffe einer unbehandelten AZ61-Probe Bild 5-16: Makroschliffe bei unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht Bild 5-17: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei plasmastrahlgeschweißtem AZ31 und AZ61 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-18: Gerissene Zugproben bei geschliffenen AZ61 mit 2 min Wartezeit im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-19: Laserprinzip Bild 5-20: Strahlpropagationsfaktor K Bild 5-21: Verfahrensprinzip Laserstrahlschweißen Bild 5-22: Aufbau der Versuchsanlage des Nd:YAG-Lasers Bild 5-23: Laserstrahlgeschweißtes AZ31 ohne Vorbehandlung Bild 5-24: Nahtbild laserstrahlgeschweißter Nähte an AZ31 mit Vorbehandlung Schleifen (oben: 2 min Wartezeit; unten: 24 h Wartezeit) Seite V

10 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 5-25: Makroschliffe laserstrahlgeschweißter Nähte an AZ31 mit Vorbehandlung Schleifen (links: 2 min Wartzeit; rechts: 24 h Wartezeit) Bild 5-26: Nahtbild laserstrahlgeschweißter Nähte an AZ31 mit Vorbehandlung Beizen (oben: 2 min Wartezeit; unten: 24 h Wartezeit) Bild 5-27: Nahtbild laserstrahlgeschweißter Nähte an AZ31 mit Vorbehandlung Sandstrahlen (oben: 2 min Wartezeit; unten: 24 h Wartezeit) Bild 5-28: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei laserstrahlgeschweißtem AZ31 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-29: Laserstrahlgeschweißtes AZ61 ohne Vorbehandlung Bild 5-30: Laserstrahlgeschweißtes AZ61 gebeizt mit 2 min Wartezeit Bild 5-31: Laserstrahlgeschweißtes AZ61 sandgestrahlt mit 2 min Wartezeit Bild 5-32: Laserstrahlgeschweißtes AZ61 sandgestrahlt mit 24 h Wartezeit.. 61 Bild 5-33: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei laserstrahlgeschweißtem AZ61 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-34: Verfahrensvarianten der Kombination von Laserstrahl und Lichtbogen Bild 5-35: Prinzipbild des Laser-MSG-Hybridprozesses Bild 5-36: Schematische Darstellung des Metall-Schutzgasschweißens [89]. 67 Bild 5-37: Schutzgaseinfluss auf die Nahtgeometrie [89] Bild 5-38: Laserhybridgeschweißtes AZ31 ohne Vorbehandlung Bild 5-39: Laserhybridgeschweißtes AZ31 geschliffen mit 2 min Wartezeit Bild 5-40: Laserhybridgeschweißtes AZ31 geschliffen mit 24 h Wartezeit Bild 5-41: Laserhybridgeschweißtes AZ31 gebeizt mit 2 min Wartezeit Bild 5-42: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei laserhybridgeschweißtem AZ31 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-43: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei laserhybridgeschweißtem AZ31 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-44: Laserhybridgeschweißtes AZ61 ohne Vorbehandlung Bild 5-45: Laserhybridgeschweißtes AZ61 geschliffen mit 2 min Wartezeit Bild 5-46: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei laserhybridgeschweißtem AZ61 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Seite VI

11 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 5-47: Laserhybridgeschweißtes AZ61 mit AZ91 unbehandelt Bild 5-48: Elektronenstrahlverlauf bei einem System aus Kathode, Steuerelektrode und Anode [96] Bild 5-49: Ausbildung der Dampfkapillare beim Tiefschweißeffekt [97] Bild 5-50: Schematische Darstellung einer Elektronenstrahlschweißanlage Bild 5-51: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ31 ohne Vorbehandlung Bild 5-52: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ31 ohne Vorbehandlung mit ZWS Bild 5-53: Mikroschliffe von elektronenstrahlgeschweißtem AZ31 ohne Vorbehandlung mit ZWS Bild 5-54: Nahtbild von elektronenstrahlgeschweißtem AZ61, ohne Vorbehandlung Bild 5-55: Nahtbild von elektronenstrahlgeschweißtem AZ61, ohne Vorbehandlung Bild 5-56: Nahtbild von elektronenstrahlgeschweißtem AZ61, geschliffen, 2 min Wartezeit Bild 5-57: Makroschliff von elektronenstrahlgeschweißtem AZ61, geschliffen, 2 min Wartezeit Bild 5-58: Härteverlauf von elektronenstrahlgeschweißtem AZ31 und AZ61 bei unterschiedlicher Vorbehandlung Bild 5-59: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ61 ohne Vorbehandlung mit ZWS Bild 5-60: Härteverlauf von elektronenstrahlgeschweißtem AZ61 ohne Vorbehandlung mit ZWS Bild 5-61: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei elektronenstrahlgeschweißtem AZ31 und AZ61 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-62: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ91 ohne Vorbehandlung Bild 5-63: Härteverlauf von elektronenstrahlgeschweißtem AZ91 ohne Vorbehandlung Bild 5-64: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ91 geschliffen mit 2 min Wartezeit Bild 5-65: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ91 gebeizt mit 2 min Wartezeit 102 Bild 5-66: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei elektronenstrahlgeschweißtem AZ91 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-67: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ61-AZ91 unbehandelt Seite VII

12 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 5-68: Elektronenstrahlgeschweißtes AZ61-AZ91 geschliffen mit 2 min Wartezeit Bild 5-69: Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei elektronenstrahlgeschweißtem AZ61-AZ91 mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Oxidschicht im Vergleich zum Grundwerkstoff Bild 5-70: Rundprobengeometrie Bild 5-71: Einfluss der Pendelamplitude bei AZ61-Rundproben Bild 5-72: Optimale Parameter bei AZ61-Rundproben Bild 6-1: Merkmale der Schweißverfahren Bild 6-2: Temperaturverläufe, oben: Elektronenstrahlschweißen, unten: Metall-Inertgas(MIG)-Schweißen (Quelle: ISF, RWTH Aachen) Bild 6-3: Einflussgrößen auf die Eigenschaften der Schweißzone Bild 6-4: Versuchsstand Freibewitterung Bild 6-5: Geschweißte Probe mit Dichtsitz und Probenhalter für elektrochemische Untersuchungen Bild 6-6: Aufbau für elektrochemische Untersuchungen, Drei-Elektroden- Anordnung Bild 6-7: 10 zyklische Stromdichte-Potenzial-Kurven, AZ61s, geschliffene Oberfläche, in 0,05 %iger NaCl-Lösung (gesättigt mit Magnesiumhydroxid) Bild 6-8: zyklische Stromdichte-Potenzial-Kurve, AZ61s, geschliffen, in 0,05 %iger NaCl-Lösung (gesättigt mit Magnesiumhydroxid), charakteristische Punkte Bild 6-9: Impedanzspektren nach verschiedenen Immersionszeiten, AZ31s, unbehandelter Oberflächenzustand, 0,05 %ige NaCl- Lösung (gesättigt mit Magnesiumhydroxid) Bild 6-10: Impedanzspektrum (Bode-Diagramm), AZ31s, unbehandelter Oberflächenzustand in 0,05 %iger NaCl-Lösung (gesättigt mit Magnesiumhydroxid) nach ca. 24 h Immersion, Ersatzschaltbild und Kurvenanpassung (Fit) für den gesamten Frequenzbereich (durchgezogene Linie) Bild 6-11: Zuordnung der Zweige des Ersatzschaltbildes, physikochemische Interpretation Bild 6-12: Alternatives Schaltbild zur Beschreibung des Verhaltens an der Probenoberfläche Bild 6-13: repräsentatives (Einzel-)Impedanzspektrum (Bode-Diagramm), AZ31s, im unbehandelten Oberflächenzustand in 0,05 %iger NaCl-Lösung (gesättigt mit Magnesiumhydroxid), Polarisationswiderstand R p, Elektrolytwiderstand R el Seite VIII

13 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 6-14: Probenfertigung und Probengeometrie für Umlaufbiegeversuche, a) Rundstab, b) mechanisch bearbeitet und geschweißt, c) Probengeometrie für Umlaufbiege-Versuche, d) Probe im Prüfzustand Bild 6-15: Versuchsanordnung Probenkammer für Umlaufbiegeversuche mit Nebelerzeugung Bild 6-16: Probenfertigung und Probengeometrie für Zug-Schwellversuche, a) Probengeometrie für die Versuche an den Grundwerkstoffen, b) Probengeometrie für die Versuche unter Korrosionseinfluss bzw. für Versuche an Schweißverbindungen Bild 6-17: Geometrie der Schweißnähte im Querschliff (Die erkennbaren Korrosionsstellen stammen aus den durchgeführten Korrosionsprüfungen und sind hier noch nicht Gegenstand der Betrachtungen) Bild 6-18: Binäres Phasendiagramm Magnesium-Aluminium, AZ91, ungleichgewichtig erstarrtes Gefüge Bild 6-19: Gefügeausbildung in der Schweißnaht in Anhängigkeit vom eingesetzten Schweißverfahren Bild 6-20: Wärmeeinflusszonen bei Anwendung unterschiedlicher Schweißverfahren, AZ31s Bild 6-21: Wärmeeinflusszonen bei Anwendung unterschiedlicher Schweißverfahren, AZ61s Bild 6-22: REM-Aufnahmen von Plasma-Schweißnähten, Markierungen für EDX-Analysen Bild 6-23: REM-Aufnahmen Schweißnähten Bild 6-24: EDX-Analysen aus Bild 6-22, erhöhter Aluminiumgehalt an der Oberfläche der Plasma-Schweißnaht Bild 6-25: Aluminium-Magnesium-Verhältnis in den Grundwerkstoffen und in verschiedenen Schweißnähten (SN) Bild 6-26: Konzentrationen von Kupfer und Eisen für den Grundwerkstoff AZ31s, die Plasma-Schweißnaht (SN) und den Schweißnahtrand (Plasma-Wärmeeinflusszone (WEZ)) Bild 6-27: Aluminium-Magnesium-Verhältnis im Grundwerkstoff (AZ61s) und in Plasma-Schweißnähten (SN) in verschiedenen Vor- / Nachbehandlungszuständen Bild 6-28: Schweißverbindungen (Oberflächen unbehandelt) vor VDA- Wechseltest Bild 6-29: Elektronenstrahlgeschweißte Mischverbindungen (Oberflächen unbehandelt) vor VDA-Wechseltest Seite IX

14 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 6-30: Schweißverbindungen (Oberflächen unbehandelt) nach VDA- Wechseltest mit Korrosionsprodukten Bild 6-31: Schweißverbindungen (Oberflächen unbehandelt) nach VDA- Wechseltest, Korrosionsprodukte mittels Beizen in Chromsäure entfernt Bild 6-32: Lokale Korrosion in der Wärmeeinflusszone, nach VDA- Wechseltest, AZ31s laserstrahlgeschweißt, Oberfläche unbehandelt Bild 6-33: Abtragsraten verschiedener Schweißverbindungen nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest im unbehandelten Oberflächenzustand Bild 6-34: Anzahl lokaler Korrosionsangriffe nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest bezogen auf 35 mm Wärmeeinflusszone (Schweißnahtrand), verschiedene Schweißverbindungen im unbehandelten Oberflächenzustand Bild 6-35: Max. Tiefe lokaler Korrosionsangriffe nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest im Randbereich der Schweißnähte bzw. in der Wärmeeinflusszone, verschiedene Schweißverbindungen im unbehandelten Oberflächenzustand Bild 6-36: Schweißverbindungen (Oberflächen geschliffen) nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest, Korrosionsprodukte mittels Beizen in Chromsäure entfernt Bild 6-37: Abtragsraten verschiedener Schweißverbindungen nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest im geschliffenen Oberflächenzustand Bild 6-38: Plasma-Schweißverbindungen nach verschiedenen Oberflächenbehandlungen (kommerzielle Beizlösung (K) und Phosphorsäure (P)) vor VDA-Wechseltest Bild 6-39: Plasma-Schweißverbindungen mit unbehandelten und gebeizten Oberflächen (kommerzielle Beizlösung (K) und Phosphorsäure (P)) nach VDA-Wechseltest, Korrosionsprodukte mittels Beizen in Chromsäure entfernt Bild 6-40: Abtragsraten von Plasma-Schweißverbindungen nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest in verschiedenen Oberflächenbehandlungszuständen (Behandlung vor dem Schweißen / Behandlung nach dem Schweißen) Bild 6-41: Anzahl lokaler Korrosionsangriffe nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest in der Wärmeeinflusszone (WEZ), Plasma- Schweißverbindungen in verschiedenen Seite X

15 0 Verzeichnisse und Vorwort Oberflächenbehandlungszuständen (Behandlung vor dem Schweißen / Behandlung nach dem Schweißen) Bild 6-42: Maximale Tiefe lokaler Korrosionsangriffe nach 2 Wochen modifiziertem VDA-Wechseltest in der Wärmeeinflusszone (WEZ), Plasma-Schweißverbindungen in verschiedenen Oberflächenbehandlungszuständen (Behandlung vor dem Schweißen / Behandlung nach dem Schweißen) Bild 6-43: Laser-Hybrid-Schweißverbindungen, AZ61s, mit vor dem Schweißen geschliffener, sandgestrahlter und gebeizter Oberfläche (Phosphorsäure (P)) nach VDA-Wechseltest, Korrosionsprodukte mittels Beizen in Chromsäure entfernt Bild 6-44: Laser-Hybrid-Schweißverbindungen, AZ31w, mit gebeizter Oberfläche (Phosphorsäure (P)) und vor dem Schweißen geschliffener Oberfläche nach VDA-Wechseltest, Korrosionsprodukte mittels Beizen in Chromsäure entfernt Bild 6-45: Mischverbindungen (Elektronenstrahl(EB)-Schweißverbindungen bzw. Laserstrahl-Schweißverbindungen) nach VDA-Wechseltest 159 Bild 6-46: Schweißverbindungen (Oberflächen unbehandelt) nach Freibewitterung Bild 6-47: Schweißverbindungen (Oberflächen geschliffen) nach Freibewitterung Bild 6-48: Plasma-Schweißverbindungen mit unbehandelten und gebeizten Oberflächen (kommerzielle Beizlösung (K) und Phosphorsäure (P)) nach Freibewitterung Bild 6-49: Laser-Hybrid-Schweißverbindungen, AZ61s, mit vor dem Schweißen geschliffener, sandgestrahlter und gebeizter Oberfläche (Phosphorsäure (P)) nach Freibewitterung Bild 6-50: Mischverbindungen (Elektronenstrahl(EB)- Schweißverbindungen) nach Freibewitterung Bild 6-51: Schweißverbindungen (mit und ohne T4-Wärmebehandlung) nach Freibewitterung Bild 6-52: Mischverbindungen (Elektronenstrahl(EB)- Schweißverbindungen) nach Freibewitterung bei 16-facher Vergrößerung Bild 6-53: Zyklische Stromdichte-Potenzial-Kurven, Grundwerkstoff AZ61s, unbehandelt, in 0,05 %iger NaCl, Mg(OH) 2 -gesättigt, repräsentative Zyklen Bild 6-54: Zyklische Stromdichte-Potenzial-Kurven, Plasma-Schweißnaht, AZ61s, unbehandelt, in 0,05 %iger NaCl, Mg(OH) 2 -gesättigt, repräsentative Zyklen Seite XI

16 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 6-55: Freie Korrosionspotenziale und Durchbruchspotenziale der Grundwerkstoffe bzw. der Schweißverbindungen Bild 6-56: Impedanzspektren nach ca. 24 h Immersion, AZ61s, Grundwerkstoff und Plasma-Schweißverbindung, unbehandelte Oberflächen Bild 6-57: Impedanzspektren nach ca. 24 h Immersion, AZ61s, Laserstrahlund Laser-Hybrid-Schweißverbindung, unbehandelte Oberflächen Bild 6-58: Polarisationswiderstände der Grundwerkstoffe bzw. der Schweißverbindungen Bild 6-59: Polarisationswiderstände der Grundwerkstoffe bzw. der Schweißverbindungen Bild 6-60: Freie Korrosionspotenziale und Durchbruchspotenziale der Grundwerkstoffe bzw. der Plasma-Schweißverbindungen, Oberflächenbehandlung vor / nach dem Schweißen Bild 6-61: Polarisationswiderstände der Grundwerkstoffe bzw. der Plasma- Schweißverbindungen, Oberflächenbehandlung vor / nach dem Schweißen Bild 6-62: Repräsentative Stromdichte-Potenzial-Kurven, AZ61s und AZ91sg Bild 6-63: Bruchwöhlerlinien für ungeschweißte und elektronenstrahlgeschweißte Rundstäbe der Knetlegierung AZ31r unter Umlauf-Biegebelastung (R=-1) mit und ohne Korrosionseinfluss (Salzsprühnebel (0,05 %ige NaCl, Mg(OH) 2 - gesättigt), T=35 C) Bild 6-64: Repräsentative Bruchfläche in der Schweißnaht unter Korrosionseinfluss, AZ31r, elektronenstrahlgeschweißt Bild 6-65: Korrosionserscheinungen an einem Durchläufer nach 2x10 7 Schwingspielen unter Korrosionseinfluss, AZ31r Bild 6-66: Bruchwöhlerlinien für ungeschweißte und plasmageschweißte Flachprofile der Knetlegierung AZ31s unter Zug- Schwellbelastung (R=0,1) mit und ohne Korrosionseinfluss (Salzsprühnebel (0,05 %ige NaCl, Mg(OH) 2 -gesättigt), T=35 C) 175 Bild 6-67: Bruchwöhlerlinien für ungeschweißte und plasmageschweißte Flachprofile der Knetlegierung AZ61s unter Zug- Schwellbelastung (R=0,1) mit und ohne Korrosionseinfluss (Salzsprühnebel (0,05 %ige NaCl, Mg(OH) 2 -gesättigt), T=35 C) 176 Bild 6-68: AZ61s, Oberfläche unbehandelt mit Korrosion am Schweißnahtrand nach 2 Wochen VDA-Wechseltest Seite XII

17 0 Verzeichnisse und Vorwort Bild 6-69: Oberfläche von Plasma-Schweißverbindungen alter und aktuell verfügbarer Halbzeuge (AZ31) nach verschiedenen Immersionszeiten Bild 6-70: GDOS-Analysen, links: AZ31 (gewalztes Blech älteren Herstelldatums), rechts: AZ31s (aktuelles Flachprofil) Bild 6-71: REM-Aufnahmen, AZ61s, Plasma-Schweißverbindungen nach 2 Wochen VDA-Wechseltest Bild 6-72: REM-Aufnahmen, Schweißverbindungen nach 2 Wochen VDA- Wechseltest Bild 6-73: REM-Aufnahmen, AZ61s, Plasma-Schweißverbindungen nach 2 Wochen VDA-Wechseltest, unbehandelte und mittels Phosphorsäure gebeizte (P) Oberfläche Bild 6-74: REM-Aufnahmen, elektronenstrahlgeschweißte Mischverbindungen verschiedener AZ-Legierungen nach 2 Wochen VDA-Wechseltest Bild 6-75: Ertragbare Biegespannungsamplituden bezogen auf 5x10 5 Schwingspiele bei einer Überlebenswahrscheinlichkeit von 50 % (R=-1) und einer Prüffrequenz von 50 Hz, Grundwerkstoff und Elektronenstrahl(EB)-Schweißverbindungen, Abfall der Schwingfestigkeiten bezogen auf den Grundwerkstoff an Luft Bild 6-76: Oberspannungen bezogen auf 5x10 5 Schwingspiele bei einer Überlebenswahrscheinlichkeit von 50 % (R=0,1) und einer Prüffrequenz von ca. 30 Hz, Abfall der Schwingfestigkeiten bezogen auf die Grundwerkstoffe an Luft Seite XIII

18 0 Verzeichnisse und Vorwort Tabellenverzeichnis Tabelle 4-1: Eingesetzte Werkstoffe Tabelle 5-1: Maße für Zugproben aus Blech Tabelle 5-2: Lichtbogenarten und Anwendungensbereiche Tabelle 5-3: Physikalische Eigenschaften von Argon [65] Tabelle 5-4: Technische Daten der im Rahmen des Projektes zum Einsatz gekommenen Laserstrahlanlage Tabelle 5-5: Lichtbogenarten beim MSG-Schweißverfahren Tabelle 5-6: Schweißparameter beim Elektronenstrahlschweißen Tabelle 6-1: Gemittelte Abträge durch verschiedene Oberflächenbehandlungen Tabelle 6-2: Eingesetzte Oberflächen-Vor- bzw. Nachbehandlungen Tabelle 6-3: Zuordnung der Nenn-Oberspannungen zur Frequenz bei den durchgeführten Schwingversuchen unter Zug- Schwellbeanspruchung und Korrosionseinfluss Tabelle 6-4: Breite der Wärmeeinflusszone bei Anwendung unterschiedlicher Schweißverfahren, AZ31s und AZ61s Seite XIV

19 0 Verzeichnisse und Vorwort Abkürzungen und Einheiten % Prozent Grad C Grad Celsius, Temperatur µm Mikrometer a Exponent des CPE A F Fokusabstand mm Al Aluminium ASTM American Society for Testing and Materials AZ31 Legierungsbezeichnung nach ASTM: Magnesiumlegierung mit 3% Aluminium, 1 % Zink AZ31r AZ31 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "r" für Rundstäbe AZ31s AZ31 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "s" für stranggepresste Flachprofile AZ31w AZ31 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "w" für gewalzte Bleche AZ31X AZ31 mit Zusatzbezeichnung "X" gemäß Hersteller für Schweißdrähte AZ61 Legierungsbezeichnung nach ASTM: Magnesiumlegierung mit 6% Aluminium, 1 % Zink AZ61A AZ61 mit Zusatzbezeichnung "A" gemäß Hersteller für Schweißdrähte AZ61r AZ61 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "r" für Rundstäbe AZ61s AZ61 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "s" für stranggepresste Flachprofile AZ91 Legierungsbezeichnung nach ASTM: Magnesiumlegierung mit 9% Aluminium, 1 % Zink AZ91dg AZ91 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "dg" für Druckguss- AZ91sg Platten AZ91 mit nicht genormter Zusatzbezeichnung "sg" für Sandguss- Platten b Nahtbreite mm b p Pendelbreite mm b s Spaltbreite mm Cl Chlor CPE Constant Phase Element Cu Kupfer d maximales Maß einer Unregelmäßigkeit mm d D Drahtdurchmesser mm DIN Deutsches Institut für Normung E Elastizitätsmodul E Potenzial e - Elektron EBW Electron Beam Welding (Elektronenstrahl-Schweißen) EBW Elektron-Beam-Welding, Elektronenstrahlschweißen E D Durchbruchspotenzial EDX Energiedispersive Röntgenspektrometrie EDX Energiedispersive Röntgenspektrometrie E FKP freies Korrosionspotenzial EIS Elektrochemische Impedanzspektroskopie Seite XV

20 0 Verzeichnisse und Vorwort F Kraft N f maximale Poren- bzw. Lunkerquerschnittsfläche mm² f Pendelfrequenz Hz Fe Eisen FESA Funkenemissionsspektralanalyse GDOES Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy GDOS Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy gebeizt (K) mittels kommerziell erhältlicher Beizlösung gebeizte Oberflächen gebeizt (M) mittels Mischsäure gebeizte Oberflächen gebeizt (P) mittels Phosphorsäure gebeizte Oberflächen GW Grundwerkstoff h Stunde H Wasserstoff h Nahthöhe mm h Größe einer Unregelmäßigkeit (Höhe, Tiefe) mm H + Wasserstoffion h 1 Nahtüberhöhung mm h 2 Wurzelüberhöhung mm H 2 O Wasser HP High Purity Hz Hertz (Frequenz) I Länge einer Unregelmäßigkeit mm i 0 Austauschstromdichte I B Strahlstrom ma ICP-OES Optische Emissions-Spektral-Analyse i D Stromdichte im Durchbruchspotenzial I D Durchtrittstrom ma i FKP+100 Stromdichte bei 100 mv anodischer Polarisation gegenüber FKP I H Heizstrom A I L Linsenstrom ma k.a. keine Angabe L Induktivität L Leistungsdichte im Elektronenstrahl W cm - ² L zu bewertende Schweißnahtlänge mm L C Länge der Porenanhäufungen mm m Meter ma/cm² Milliampere pro Quadratzentimeter, Stromdichte Mg Magnesium Mg(OH) 2 Magnesiumhydroxid Mg + monovalentes Magnesiumion Mg 2+ divalentes Magnesiumion MIG Metall-Inertgas-Schweißen min Minute Mn Mangan mv H Millivolt, Potenzial bezogen auf die Normalwasserstoffelektrode n.v. nicht vorhanden Na Natrium NaCl Natriumchlorid Ni Nickel Seite XVI

21 0 Verzeichnisse und Vorwort O Sauerstoff OH - Hydroxilion P Plasmaschweißen P Strahlleistung kw p A Arbeitsdruck, Druck in der Arbeitskammer mbar p E Druck im Strahlerzeugerraum mbar R Spannungsverhältnis (Unterspannung / Oberspannung) R Ohmscher Widerstand R.E. Bezugselektrode REM Rasterelektronenmikroskop r f fiktiver Ersatzradius Zugfestigkeit R m R p Polarisationswiderstand s Schmelzzonentiefe mm Si Silizium SN Schweißnaht SpRK Spannungsrisskorrosion SwRK Schwingungsrisskorrosion T Temperatur t Werkstückdicke mm t Nahtdicke, für die Festigkeit maßgebend mm t Zeit s T4 Bezeichnung für lösungsgeglühte Probe U A Beschleunigungsspannung kv U St Steuerspannung kv v Schweißgeschwindigkeit mm s -1 v D Drahtfördergeschwindigkeit m/min VDA Verband der Automobilindustrie W.E. Arbeitselektrode, Probe WEZ Wärmeeinflusszone WIG Wolfram-Inertgas-Schweißen Y 0 Normierte Kapazität des CPE Zn Zink α Drahtzuführwinkel ρ Dichte Seite XVII

22 0 Verzeichnisse und Vorwort 0 Vorwort 0.1 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Einflusses der Vor- und Nachbehandlung von Magnesiumhalbzeugen auf die Qualität und das Korrosionsverhalten geschweißter Verbindungen. Hierzu wurde neben dem Einfluss unterschiedlicher Vorbehandlungsmethoden der Einfluss unterschiedlicher Wärmeeinbringungen durch verschiedene schmelzmetallurgische Fügeverfahren ermittelt. Zu den verwendeten Vorbehandlungsmethoden zählen das Schleifen, das Sandstrahlen und das Beizen. Die verschiedenen Wärmeeinbringungen wurden durch Schweißverfahren mit voneinander abweichenden Energiedichten und Streckenenergien hervorgerufen. Darüber hinaus wurde die Rückbildung der Oxidschicht durch unterschiedlich lange Wartezeiten bis zum Schweißprozess berücksichtigt. Die Oberflächenstruktur, die einen wesentlichen Einfluss auf die Korrosionseigenschaften besitzt, war in der Regel durch eine Vorbehandlung mittels Schleifen und Sandstrahlen deutlich glatter als bei unbehandelt geschweißten Blechen. Dieser Effekt war an der Nahtwurzel stärker ausgeprägt. Hingegen führte die Vorbehandlung Beizen in den meisten Fällen zu kraterförmigen Auswürfen der Schmelze und Prozessinstabilitäten durch schwer entfernbare Beizrückstände. Zur Berücksichtigung der Oxidschichtneubildung wurden Schweißversuche bei einer verlängerten Wartezeit von 2 min auf 24 h zwischen Vorbehandlung und Schweißvorgang durchgeführt. Dabei war die Oberfläche rauer, aber im Vergleich zu unbehandelt geschweißten Proben immer noch glatter ausgeprägt. Des Weiteren war der Einfluss der Oxidschicht auf die Porenbildung im Gefüge zu untersuchen. Die Knetlegierungen AZ31 und AZ61 ließen sich mit allen Schweißverfahren nahezu porenfrei verschweißen, wobei der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung hierbei vernachlässigbar gering aus. Eine Ausnahme bilden die mittels Schleifen vorbereiteten plasmageschweißten AZ31-Proben, die sich gemäß der Sichtprüfung schon nicht in zufrieden stellender Weise verbinden ließen und somit nicht weiter untersucht wurden. Eine starke Porenbildung war bei den mit dem Elektronenstrahl geschweißten Gusslegierungen AZ91 zu beobachten. Hierbei bildeten sich ohne Oxidschichtentfernung die wenigsten Poren. Bei Mischverbindungen aus AZ61 und AZ91 zeigte sich in stichprobenartigen Untersuchungen kein wesentlicher Unterschied zwischen un- und vorbehandelten Blechen. In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss der Oxidschichtentfernung auf die mechanisch-technologischen Kennwerte untersucht. Bei den Härtewerten konnten keine wesentlichen Differenzen festgestellt werden. Die Zugfestigkeit war hingegen von der Vorbehandlung und der Wartezeit bis zum Schweißprozess abhängig. Die Ergebnisse differierten in Abhängigkeit vom eingesetzten Schweißverfahren sowie dem Seite XVIII

23 0 Verzeichnisse und Vorwort Werkstoff. Über alle Verfahren und Werkstoffe hinweg waren die Festigkeiten beim Beizen stets am niedrigsten. Durch Schleifen und Sandstrahlen konnten sie in einigen Fällen gegenüber unbehandelten Proben optimiert werden. Zur Verbesserung des Nahteinfalls bei Laserstrahlschweißnähten sind Versuche mit drahtförmigen Zusatzwerkstoffen vorgesehen gewesen, um die mechanischen Kennwerte (Festigkeit und Dehnung) weiter zu verbessern. Dieses Ziel konnte bei allen untersuchten Knetlegierungen erreicht werden. Darüber hinaus haben Stichprobenversuche mit dem Elektronenstrahl eine gesteigerte Festigkeit und einen verringerten Nahteinfall durch die Verwendung von Zusatzwerkstoff bestätigt. Die Festigkeitssteigerung beruht vorwiegend auf einem durch den zusätzlich eingebrachten Werkstoff vergrößerten Querschnitt der Schweißnaht. Ziel des Forschungsvorhabens war es weiterhin verschiedene abtragende, reinigende Behandlungen der Oberflächen (Beizen, Schleifen, Strahlen) der zu fügenden Halbzeuge (Vorbehandlung) bzw. der gefügten Verbindungen (Nachbehandlung) an gebräuchlichen Magnesiumlegierungen durchzuführen und deren Auswirkungen auf das Korrosionsverhalten der Verbindungen zu untersuchen. Aus Gründen der Praxisrelevanz und der Erfahrungen aus dem Vorläufervorhaben wurden mittels Laserstrahl- und Plasmaschweißen gefügte Verbindungen der Legierungen AZ31, AZ61 und AZ91 (jeweils in Form von Plattenmaterial mit 2 bis 2,6 mm Dicke) untersucht. Der Einfluss des Einsatzes von Zusatzwerkstoffen wurde anhand von Laser-Hybrid-geschweißten Verbindungen ermittelt. An den Grundwerkstoffen und den geschweißten Proben wurden VDA-Klima- Wechseltests, Tauchversuche, Freibewitterungsversuche und elektrochemische Untersuchungen mittels zyklischer potenziodynamischer Polarisation und mittels Impedanzspektroskopie durchgeführt. Aufgrund der Ergebnisse des Vorläufervorhabens war von einer deutlichen Verbesserung des Korrosionsverhaltens der Schweißverbindungen durch Beseitigung oberflächennaher Verunreinigungen auszugehen. Diese konnte im vorliegenden Vorhaben für verschiedene Halbzeuge (Legierungen, Werkstoff- und Oberflächenzustände), die mit unterschiedlichen Verfahren (unterschiedliches Wärmeeinbringen, mit / ohne Zusatzwerkstoff) geschweißt wurden, nachgewiesen werden. Zur abtragenden reinigenden Behandlung der Oberflächen der Halbzeuge bzw. der Schweißverbindungen wurden verschiedene chemische Beizprozesse, das Schleifen und das Sandstrahlen der Oberflächen angewendet und deren Auswirkungen auf das Korrosionsverhalten der Schweißverbindungen untersucht. Weiterhin sollten die Auswirkungen unterschiedlicher Oberflächenbehandlungszustände auf das Schwingfestigkeitsverhalten geschweißter Verbindungen unter korrosiven Bedingungen ermittelt werden. Hierzu wurden geschweißte Proben im mecha- Seite XIX

24 0 Verzeichnisse und Vorwort nisch bearbeiteten Zustand (Nachbehandlung: feingedreht) und mit unbehandelter bzw. vor dem Schweißen geschliffener Oberfläche (Vorbehandlung) unter Schwingungsrisskorrosionsbedingungen untersucht. Das Korrosionsverhalten geschweißter Verbindungen von Halbzeugen aus Magnesium-Legierungen mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten wurde unter praxisnahen Bedingungen (VDA-Wechseltests, verschärfte Freibewitterung) und mittels elektrochemischer Methoden (zyklische potenziodynamische Untersuchungen und Impedanzspektroskopie) untersucht. Die erreichten Ergebnisse entsprechen somit der Zielsetzung des Antrages. 0.2 Darstellung der erzielten Ergebnisse, wissenschaftlich-technischer, wirtschaftlicher Nutzen, innovativer Beitrag insbesondere für KMU Aufgrund der Fortschritte in der Werkstoffentwicklung und in der Verarbeitung wird ein steigender Einsatz von Magnesiumlegierungen, insbesondere von Knetlegierungen erwartet. Durch die Verwendung von Halbzeugen, wie stranggepressten Profilen und gewalzten Blechen, die aufgrund ihrer gegenüber Magnesium-Gusslegierungen höheren Homogenität und Festigkeitseigenschaften für moderne Leichtbaukonzepte prädestiniert sind, rückt die Fragestellung nach geeigneten Fügeverfahren in den Vordergrund. Neben der Haltbarkeit der Verbindungen auch unter korrosiven Bedingungen, die Gegenstand des vorliegenden Vorhabens sind, bestehen für einen verbreiteten Einsatz grundlegende Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit der einzusetzenden Fügeverfahren. Diese Anforderungen werden durch schmelzmetallurgische Verfahren, wie das Lichtbogenschweißen (z. B. MSG) und das Laserstahlschweißen erfüllt. Durch den Einsatz von Schweißverbindungen werden sich die Anwendungsmöglichkeiten für Magnesium-Legierungen, insbesondere für Halbzeuge aus Magnesium-Knetlegierungen, deutlich erweitern, da sie zusätzlich zu der etablierten Anwendung von Gussbauteilen die Gestaltungsfreiheit bei der Realisierung von Leichtbaukonzepten erhöhen. Fügeverbindungen von Magnesium- Legierungen können somit zu wirtschaftlicher Produktion und verbesserten Produkteigenschaften beitragen. Weiterhin wird der Tatsache Rechnung getragen, dass das in Deutschland vorhandene Lohn-/Fertigungskostengefüge den Einsatz hochtechnologisierter Verfahren und innovativer Lösungen zu Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit erfordert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Schweißbarkeit verschiedener Magnesiumlegierungen (AZ31, AZ61 und AZ91) bestätigt. Dabei kamen das Laserstrahl-, das Laserstrahl-MSG-Hybrid-, das Elektronenstrahl- und das Plasmaschweißen zum Einsatz, wobei nicht jede Kombination von Werkstoff und Schweißverfahren Seite XX

25 0 Verzeichnisse und Vorwort untersucht wurde. Ebenfalls konnten Mischverbindungen, bestehend aus Knet- und Gusslegierungen, mit dem Elektronenstahl verschweißt werden. Stichprobenartig wurde dies ebenfalls mit dem Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen erzielt. Neben der Optimierung der Schweißparameter wurde als wesentliches Ziel der Einfluss der Entfernung der Oxidschicht mittels Schleifen, Sandstrahlen und Beizen auf die Nahtqualität, insbesondere die Porenbildung und die mechanischen Eigenschaften ermittelt. Zudem wurde der Einfluss der Neubildung der Oxidschicht durch unterschiedliche lange Wartezeiten bis zum Fügevorgang berücksichtigt. In Abhängigkeit vom Schweißverfahren und der Legierung können Empfehlungen für eine Vorbehandlungsmethode gegeben werden. Die erworbenen Erkenntnisse sind besonders für Schweißanlagenhersteller von Bedeutung, die aufgrund der durch die erlangten Erkenntnisse sich ergebenden erweiterten Anwendungsfelder ihre Umsätze steigern können. Zudem können sie ihre Kunden durch das erweiterte Know-how umfassender beraten und betreuen. Der Einsatz von Magnesium-Halbzeugen erfordert Kenntnisse zur Prozessstabilität und Wirtschaftlichkeit der Fügeverfahren und zur Betriebsfestigkeit, Alterungsbeständigkeit und Korrosionsanfälligkeit der Verbindungen. Die Ergebnisse des vorliegenden Forschungsvorhabens liefern wesentliche Erkenntnissen zur schweißtechnischen Verarbeitung von Magnesiumlegierungen, insbesondere hinsichtlich abtragender Oberflächenbehandlungen durch Schleifen und Beizen der Oberflächen vor bzw. nach dem Schweißen. Durch geeignete Behandlung der Oberflächen ist es möglich unter praxisnahen Bedingungen Korrosionsbeständigkeiten zu erreichen, die den ungeschweißten Grundwerkstoffen nicht wesentlich unterlegen sind. An die verwendeten Werkstoffe und Fügeverfahren werden weiterhin hohe Anforderungen gestellt, sodass deren Eigenschaften, sowohl im Hinblick auf ihre Schwingfestigkeit, als auch auf ihre Korrosionsbeständigkeit bei kombinierter Beanspruchung (Komplexbeanspruchung), für die Praxis von besonderer Bedeutung sind. In diesem Zusammenhang liefert das vorliegende Vorhaben wesentliche Erkenntnisse. Die Ergebnisse des vorliegenden Forschungsvorhabens tragen durch die Klärung grundlegender korrosionsfördernder Mechanismen bei Schweißverbindungen von Magnesiumlegierungen und der Ableitung entsprechender Maßnahmen zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens entscheidend zur Beseitigung von Unsicherheiten im Umgang mit diesem Werkstoff bei. Die Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für die klein- und mittelständischen Unternehmen der Zuliefer- und Anwendungsindustrie (auch Verpackungsindustrie, Ventilatorenbau etc.). Insbesondere die Marktposition der kleinen und mittelständischen Schweißanlagenhersteller sowie der Bauteilhersteller, Verarbeiter und Reparaturbetriebe wird verbessert, woraus eine unmittelbare Stärkung des Standortes Deutschland resultiert. Seite XXI

26 0 Verzeichnisse und Vorwort Für kleine und mittelständige Zulieferer und Anwender, insbesondere für Schweißanlagenhersteller sind die Ergebnisse der vorliegenden Forschungsprojektes von erheblicher Bedeutung, da diese somit Schweißverfahren für Magnesium-Legierungen anbieten können, die das Fügen von Halbzeugen dieses Werkstoffes ohne signifikante Einbußen hinsichtlich der Korrosionseigenschaften ermöglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Abschlussbericht ausführlich beschrieben. 0.3 Veröffentlichung Ergebnisse aus diesem Forschungsvorhaben wurden auf der DGM-Tagung 7th Int. Conference on Magnesium Alloys and their Application am in Dresden [4], und auf dem Clausthal Light Alloys Seminar am in Clausthal im Rahmen eines Beitrags im Tagungsband und zweier Vorträge der Fachöffentlichkeit vorgestellt und diskutiert. Die Ergebnisse wurden weiterhin auszugsweise in der Zeitschrift Materialwissenschaft und Werkstofftechnik veröffentlicht [5]. Die Veröffentlichungen zu diesem Forschungsvorhaben werden zusätzlich auf den Internetseiten der durchführenden Institute und im Rahmen der Dissertation Korrosionsverhalten geschweißter Verbindungen von Magnesium-Legierungen [6] in deutscher Sprache erfolgen. 0.4 Hinweis auf Förderung Das Forschungsvorhaben (AiF Nr N) der Forschungsvereinigung Gesellschaft für Korrosionsschutz e.v. (GfKORR) wurden im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dem Bundesministerium, der AiF sowie der GfKORR sei für die Förderung und die finanzielle Unterstützung gedankt. Seite XXII

27 1 Einleitung 1 Einleitung Magnesium-Legierungen stellen einen wesentlichen Bestandteil moderner Leichtbaukonzepte dar, die heute insbesondere in der Automobilindustrie zur Anwendung kommen. Speziell für die Fahrzeug-, Luft- und Raumfahrtindustrie aber auch im Ventilatorenbau, im allgemeinen Maschinenbau und speziell im Bereich der Handhabungstechnik ist der Einsatz des Werkstoffes Magnesium zur Verminderung des Energieverbrauches und der Verringerung der bewegten Massen interessant. Damit sind viele Klein- und Mittelständische Unternehmen als Zulieferer gefordert, neue bzw. leichtere Werkstoffe einzusetzen. Vor allem die Bestrebungen dünnwandige Bleche und Profile aus Magnesium-Legierungen in der Fahrzeugindustrie einzusetzen, eröffnen Möglichkeiten zur Nutzung der Potenziale der Magnesium- Knetlegierungen [7]. Als Vorteile sind hier die gegenüber Aluminium geringeren Bauteilgewichte bzw. die höhere Biege- und Beulsteifigkeit und Festigkeit bei gleichem Gewicht anzusehen. Gegenüber den bereits in zahlreichen Anwendungen etablierten Magnesium-Gusskonstruktionen, sind das höhere Festigkeitsniveau, die gesteigerte Energieaufnahme durch plastische Verformung (Crash-Verhalten) und die Dünnwandigkeit größer Bauteile als Vorzüge der Knetlegierungen zu nennen [8]. Mit steigenden Anforderungen an die Gestaltungsfreiheit und die Bauteileigenschaften von Leichtbaukomponenten werden bei Einsatz von Halbzeugen aus Knetlegierungen zunehmend Fügeverfahren benötigt, die beispielsweise an extrudierten Profilen oder gewalzten Blechen, aber auch an Gussteilen aus Magnesiumlegierungen, zur Verbindung dieser miteinander und untereinander anwendbar sind. Der Einsatz dieser Halbzeuge erfordert Kenntnisse zur Prozessstabilität und Wirtschaftlichkeit der Fügeverfahren und zur Betriebsfestigkeit, Alterungsbeständigkeit und zum Korrosionsverhalten der Verbindungen. Die Hauptfügetechnik bei unlösbaren Verbindungen im Automobilbau ist neben dem Blindnieten, Clinchen, Kleben und den kombinierten Verfahren (Clinch-Kleben, Clinch-Nieten) das Schweißen (MIG (bzw. MSG) und Laserstrahl). An die verwendeten Werkstoffe und Fügeverfahren werden hohe Anforderungen gestellt, sodass deren Eigenschaften, sowohl im Hinblick auf ihre Schwingfestigkeit, als auch auf ihre Korrosionsbeständigkeit bei kombinierter Beanspruchung (Komplexbeanspruchung), für die Praxis von besonderer Bedeutung sind. Aufgrund der bei Magnesium erreichbaren hohen Schweißnahtqualität weist das Plasma-Pluspol-Schweißen ein hohes Anwendungspotenzial auf. Das bereits weiter verbreitete Laserstahlschweißen bringt bei guter Nahtqualität eine geringe Wärmeeinbringung und damit geringe Beeinflussung der Werkstücke mit sich, kann jedoch als Nahtvorbereitung das Entfernen dicker oxidischer Schichten (Walzhaut, Gusshaut) erfordern. Zur Optimierung der Nahteigenschaften durch das Einbringen von Seite 1

28 1 Einleitung Zusatzwerkstoff wird eine Kombination des Laserstrahlschweißens und des MIG- Prozesses, das so genannte Laser-Hybrid-Schweißen eingesetzt. Seite 2

29 2 Problemstellung und Zielsetzung 2 Problemstellung und Zielsetzung Die Untersuchungen des Vorläufervorhabens haben ergeben, dass Verunreinigungen in der Oberfläche der Grundwerkstoffe wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der geschweißten Magnesiumlegierungen haben. Diese bewirken lokal unterschiedliche Korrosionseigenschaften, wie beispielsweise an druckgegossenen Platten der Legierung AZ91 mit Gusshaut deutlich wird, Bild 2-1. Die im Bild rechte Hälfte der Schweißverbindung zweier Platten weist hier verglichen mit der linken Seite deutlich stärkere Korrosion auf. Bild 2-1: AZ91, laserstrahlgeschweißt, 24 h Salzsprühtest, 5 % NaCl Durch den Schweißprozess können diese Verunreinigungen lokal umgelagert werden. Vornehmlich bei Schweißverfahren mit höherer Streckenenergie (breiteres Schmelzbad) treten dadurch am Rand der Schweißnaht lochfraßähnliche Korrosionserscheinungen auf, Bild 2-2. GW SN Bild 2-2: REM-Aufnahme, AZ91, plasmageschweißt, 1 h Tauchversuch, 5 % NaCl An den Korrosionsangriffstellen werden mittels EDX-Analyse vermehrt aus Fertigungshilfsstoffen (z.b. Trennmitteln bzw. Ziehfetten) stammende Verunreinigungen gefunden, die sich negativ auf das Korrosionsverhalten auswirken können, Bild 2-3. Durch geeignete Vorbehandlungsverfahren der zu schweißenden Teile oder eine Nachbehandlung der Verbindungen ist eine Veränderung der Korrosionseigenschaf- Seite 3

30 2 Problemstellung und Zielsetzung ten unter praxisnahen Bedingungen zu erwarten. Dies muss Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Lokale Verunreinigungen sind auch im Hinblick auf für weitere Fertigungsschritte (z.b. Lackieren) notwendige Nachbehandlungen der geschweißten Teile zu vermeiden bzw. zu beseitigen. Bild 2-3: EDX-Analyse, AZ91, Oberfläche Hochschmelzende oxidische Schichten bzw. die Guss-/Walzhaut haben einen negativen Einfluss auf die Schweißnahtqualität (z.b. Porosität). Geeignete Vorbehandlungsverfahren müssen unter Beachtung der zeitabhängigen Rückbildung von Oxidschichten zur Verbesserung der Schweißeignung vor Allem im Hinblick auf das in der Praxis bedeutsame Laserstrahlschweißen untersucht werden. Durch Nachbehandlung der Schweißzone (Schleifen) ist eine Verbesserung des Korrosionsverhaltens beobachtet worden. Geeignete Nachbehandlungen müssen erprobt und deren Auswirkungen auf die Korrosionseigenschaften der Schweißverbindung untersucht werden. Hinsichtlich des Schwingungsrisskorrosionsverhaltens geschweißter Magnesiumwerkstoffe wird auch von Seiten des Arbeitskreises Korrosion und Korrosionsschutz von Aluminium und Magnesium weiterer Forschungssbedarf gesehen, der durch Umlaufbiegeversuche an Rundproben und Zugschwellversuche an geschweißten Blechen unter Korrosionseinfluss gedeckt werden sollte. Weiterhin kann so der Einfluss des Oberflächenzustandes abhängig von der Vorbehandlung bei gleichzeitiger mechanischer und korrosiver Beanspruchung (Komplexbeanspruchung) untersucht werden. Seite 4