Manufacturing of titanium/aluminium and titanium/steel joints by means of diffusion welding. - In: Welding and cutting, ISSN 1612-3433, Bd. 3 (2004), 5, S. 285-290
This article presents investigations on diffusion welds for the joining of titanium materials (Ti2 and Ti6Al4V), on the one hand, with aluminium alloys (AA5056, AA5754 and AA6016) and, on the other hand, with steel (X4CrNi18-10, material number: 1.4301). The achieved mechanical-technological properties proved that diffusion welding is suitable for the manufacture of crack-free joints. In order to optimise lightweight structures as far as cost and strength aspects are concerned, mixed constructions are of increasing interest since the properties of various materials can be exploited optimally with these. Diffusion welding offers the unique possibility of manufacturing a joint without causing the formation of a common molten mass between the materials. For this reason, the formation of intermetallic phases from the molten mass can be suppressed in mixed joints. Diffusion welding can be used in order to manufacture mixed joints between titanium and aluminium at low temperatures below 520 deg C without any intermediate layers or cracks. The formation and properties of the diffusion border are extremely dependent on the alloying elements in the base materials. The dimensions of the diffusion zone of a joint containing silicon, as in the case of AA6016, are very limited so that the growth of the diffusion layer can be controlled in a reliable process. In contrast, a diffusion zone which exhibits low ductility and leads to shrinkage cracks during the cooling process because of the different coefficients of expansion is already formed within a short time with the AlMg alloys. Fundamental mechanical-technological investigations on peeling joints demonstrated that strength values up to 55 MPa can be achieved. It was possible to establish the negative effect of a distinct diffusion zone in the case of the Ti2/AA5754 combination. Further investigations with short joining times are necessary at this point. Diffusion welding permits a similar procedure for the joining of titanium with steel materials.
Fügen von Mischverbindungen aus Titan- und Aluminiumwerkstoffen bei niedriger Temperatur durch Diffusionsschweißen. - In: Hart- und Hochtemperaturlöten und Diffusionsschweißen, (2004), S. 312-316
Die dargestellten Untersuchungen belegen, dass durch das Diffusionsschweißen zwischenschichtfreie Mischverbindungen Ti-Al bei niedrigen Temperaturen unterhalb 520 Grad C rissfrei hergestellt werden können. Die Bildung sowie die Eigenschaften des Diffusionssaumes hängen stark von den Begleitelementen in den Grundwerkstoffen ab. Die Abmessungen der Diffusionszone einer siliziumhaltigen Verbindung, wie im Fall von AA6016, sind sehr begrenzt, so dass das Wachstum prozesssicher kontrolliert werden kann. Bei AlMg-Legierungen ingegen bildet sich bereits in kurzer Zeit eine Diffusionszone geringer Duktilität, die beim Abkühlen zu Schrumpfungsrissen auf Grund des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten führt. Grundlegende mechanisch-technologische Utnersuchungen an Schälverbindungen weisen nach, dass Festigkeitswerte bis zu 55 MPa erreicht werden können. Die negative Auswirkung einer ausgeprägten Diffusionszone konnte im Fall der Kombination Ti2-AA5754 festgestellt werden, so dass an dieser Stelle weitere Untersuchungen bei niedrigen Zeiten notwendig sind.
Niedrigtemperatur-Laserstrahllöten von verzinkten Stählen. - In: Hart- und Hochtemperaturlöten und Diffusionsschweißen, (2004), S. 217-222
Beim Laserstrahlschweißen verzinkter Bleche ergibt sich, ebenso wie beim Schutzgasschweißen, generell die Problematik der Zinkverdampfung. Zum Aufschmelzen des Stahlblechs sind Temperaturen von ca. 1500 [Grad]C nötig. Der Siedepunkt von Zink liegt allerdings bei 907 [Grad]C und wird damit beim Erreichen der Schmelztemperatur von Stahl weit überschritten. Ohne besondere Maßnahmen kommt es durch das zum Teil eruptionsartige Verdampfen der Zinkschicht zur Störung des Schweißprozesses und zur Bildung von Spritzern und Poren. Das Löten bietet sich an, um Verbindungen bei niedrigen Temperaturen herzustellen. Die bis jetzt eingesetzten Lotwerkstoffe basieren auf CuSi-Legierungen deren Liquidustemperatur über 900 [Grad]C liegt. Dabei kommt es in Abhängigkeit von der Wärmeführung zur partiellen Verletzung der Zinkschicht und zur Bildung von Poren in der Fügezone, die die Gebrauchseigenschaften der Verbindung beeinträchtigen. Eine Verbesserung kann durch Anwendung niedrigschmelzender Lotwerkstoffe erreicht werden. In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Grundlagenuntersuchungen zum Laserstrahllöten von verzinkten Stählen mit ZnAl-Lotwerkstoffen dargestellt. Diese Werkstoffe weisen eine Schmelztemperatur im Bereich von 400-500 [Grad]C. Aus den Untersuchungen mit einem Nd:YAG Laser werden Angaben zur Prozesssicherheit und zur Eignung derartiger Lote zum Fügen von verzinkten Stahlwerkstoffen abgeleitet.
Simulation of laser cladding. - In: 2nd International Conference on Thermal Process Modelling and Computer Simulation, Bd. 120 (2004), S. 397-403
Nickel and titanium aluminides already show a high potential for use in lightweight applications at elevated temperatures; however, the strength of these intermetallics can be increased by directional solidification. These materials show a brittle behaviour at temperatures less than 600&ayn;C. Strength and ductility of aluminides are controlled by phase formation during solidification. The problem of crack formation had to be solved for laser rapid prototyping of intermetallics, and the process conditions for formation of directionally solidified structures have to be specified in order to generate directionally solidified TiAl parts properly. A model was developed to determine the influence of the process parameters on melt pool geometry, solidification time, and the formed structure. Temperature gradients and cooling rates were calculated using a simulation that also included feedstock material injection rate and process parameters. The experimental results were analysed using these simulations, and the process parameters were optimised so that crack-free laser-generated TiAl parts exhibiting a partially directionally solidified structure could be produced. The comparison of the simulated and experimental results led to process guidelines for laser generation of directionally solidified TiAl components.
Herstellen von Titan-Aluminium- und Titan-Stahl-Verbindungen durch Diffusionsschweißen. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 56 (2004), 5, S. 199-207, insges. 7 S.
Laserstrahlschweißen von Titanwerkstoffen unter Berücksichtigung des Einflusses des Sauerstoffes. - In: Materials science and engineering technology, ISSN 1521-4052, Bd. 35 (2004), 9, S. 543-556
Im Rahmen dieses Aufsatzes wird erstmalig ein innovatives Konzept zum Laserstrahlschweißen von Titan für die Serienfertigung dargestellt und validiert. Durch den neuartigen Einsatz eines 6-lagigen Metallgewebes ist es möglich, die Strömung vom Schutzgas so stark zu beruhigen, dass die beim Schweißen schädlichen Verwirbelungen vermieden werden können. Der Einbau eines derartigen Gewebes als Boden einer offenen Schweißkammer ermöglicht sowohl das mechanisierte als auch das vollautomatisierte Schweißen von hochreaktiven Werkstoffen, wie zum Beispiel Titanwerkstoffen, unter atmosphärischen Druckbedingungen und unter inerter Abdeckung. Damit wird der für eine industrielle Fertigung, insbesondere für Industrieroboter, notwendige Freiheits- und Zugänglichkeitsgrad zur Fügestelle im Vergleich zu konventionellen geschlossenen WIG-Schweißhauben gewährleistet. Von weitgehender Bedeutung für die Schweißtechnik von Titanwerkstoffen ist es, dass auch die Bereiche, die in der Praxis mittels einer Nachschleppdüse vom Schutzgas nicht erreichbar wären, wie z. B. die Überlappgebiete bei der Überlappnaht, erfolgreich durch das Prinzip der wirbelfreien Schweißkammer geschützt werden können. Mit Hilfe dieser neuartigen Vorgehensweise und eines modernen Fügeverfahrens, wie dem Nd:YAG-Laserschweißen, konnten erstmalig systematische Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Sauerstoff in der Schweißumgebung auf die Mikrostruktur und auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften einer Modellschweißverbindung durchgeführt werden. Durch die Validierung des gesamten Systems konnte bewiesen werden, dass im Vergleich zum konventionellen WIG-Verfahren geringere Anforderungen an die Reinheit des Schutzgases, um Anlauffarben und unzulässige Aufhärtungen zu vermeiden, gerichtet werden können. Für das Laserstrahlschweißen kann ein maximaler Restsauerstoffgehalt von 1000 ppm in der Schweißumgebung unbedenklich toleriert werden. Für das WIG-Schweißen gilt dagegen ein Höchstwert von etwa 30 ppm. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass die Qualitätsmerkmale der derzeitigen Regelwerke für das WIG-Schweißen für die Luft- und Raumfahrttechnik auf das Verfahren Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Quellen übertragen werden können.
http://dx.doi.org/10.1002/mawe.200400776
New perspectives to improve properties of laser cladded coatings applying external magnetic fields. - In: Laser assisted net shape engineering 4, (2004), S. 819-830
Laser beam cladding is characterised by several positive aspects, as for example low dilution of the base material, minimized heat input into the substrate and the possibility of a very local treatment. Laser cladding has established itself in practice only in some applications as for example in gas turbine blades or repair of dies and inserts. Negative aspects of laser cladding are nowadays the low process efficiency and the high processing costs. The development of high power laser sources in the last decade improved the process reliability and flexibility. The use of diode lasers for example allows to enhance the efficiency of the laser process as absorption is higher and the coated area is larger. A further possibility to improve process characteristics is offered by the use of hybrid coating processes, which optimise the energy efficiency, as for example plasma assisted laser cladding. A more effective technique to improve laser cladding is the generation of an additional force on the melting pool through an external superposed magnetic field. Depending on the magnetic field strength and on the resulting force the geometry and the microstructure of the layer can be influenced positively. In the first part of the paper investigations on AISI 304 steel is carried out, in order to observe the main influences. In the second part the applications on commercially pure metals as copper/substrate and nickel/coating systems are reported. Compared to other conventional coating processes the use of an adjustable magnetic field and the electric current is an easy tool to vary the geometry of the seam and to enhance coating properties, such as for example surface roughness.
Laser reactive surface alloying of aluminium. - In: Laser assisted net shape engineering 4, (2004), S. 897-903
Reactive laser surface alloying, which is characterized through a simultaneous exothermic reaction (selfpropagating high-temperature synthesis, SHS) are used to produce for example high power composite materials. The ratio of reactants for the generation of Al2O3-TiC-Al-composite has a great influence on the properties of the material. The aluminothermic reaction of TiO2 and Al is used for the production of titanium. The main parameters are the reaction temperature, the ratio of Al/TiO2 and the rate of CaO in the slag. The resulting intermetallic compound shows a good ductility and a high hardness. The direct reactive laser alloying of titanium with titanium oxide wasn't investigated so far, even if it offers many advantages for high abrasive wear resistant coatings. The TiAl matrix guarantees a high strength, while fine dispersed Al2O3 offer wear resistance.
Einflussgrößen beim vollmechanisierten Plasma-Pulver-Auftragsschweißen in Zwangslagen. - In: Neue Materialien und Verfahren in der Beschichtungstechnik, (2004), S. 214-219
Der industrielle Einsatz des Plasma-Pulver-Auftragschweißens mit übertragenem Lichtbogen hat im letzten Jahrzehnt stark zugenommen. Die Möglichkeit eine breite Palette an Auftragswerkstoffen in Pulverform bei hohen Auftragsleistungen, geringer Wärmeeinbringung und geringer Durchmischung aufzutragen zeichnet dieses Verfahren aus. Die Prozessführung des PTA- Auftragschweißens in Wannenlage ist weitestgehend untersucht. Für den industriellen Einsatz besteht jedoch weiterhin großes Interesse den Anwendungsbereich auf Zwangslagen, steigend oder fallend schweißen, auszuweiten, um z. B. bei Reparaturen Standzeiten durch Ausbau und Instandsetzung der verschleißbeanspruchten Bauteile zu verringern. Im Rahmen dieses Beitrages wird das Auftragschweißen von verschleißbeanspruchten Funktionsflächen in Zwangslagen behandelt. In Auftragspositionen, die der Wannenlage abweichen, kommt der Schwerkraft einer besonderen Bedeutung zu, da diese zum Herabfließen der Schmelze und zur Bildung von Tropfen führt. Die Bearbeitungsstrategie ist so auszuwählen, dass die Prozessgeschwindigkeit höher als die Erstarrungsgeschwindigkeit ist. In den dargestellten experimentellen Untersuchungen werden Strategien zum erfolgreichen Bearbeiten von Auftragschichten in Zwangslagen aus Ni-Basis und Co- Basis Pulvern aufgezeigt. Neben den Prozessparametern Plasmastromstärke und Auftraggeschwindigkeit wird ein besonderes Augenmerk auf die Auswirkung des Vorwärmens des Substrates und der Substratdicke gelegt.
Werkstofftechnische Aspekte bei der Auswahl von Laserquellen für die Fügetechnik. - In: Stand und Perspektiven in der Lasermaterialbearbeitung, (2004), S. 139-148
Die Entwicklung von Hochleistungsdiodenlasern bis hin zu 6 kW und von Nd:YAG Lasern höherer Leistung hat in den letzten Jahren, mit dem Ziel schnellere Prozesse zu ermöglichen, rasant zugenommen. Die Eignung einer Laserquelle für die Fügetechnik kann sich sehr unterschiedlich bewerten lassen. Wirkungsgrad, Schweißgeschwindigkeit oder Verwendung von Lichtleitfasern sind nur einige fertigungstechnische Aspekte bei der Auswahl von Laserstrahlquellen. Bei der Qualifizierung von Schweißverfahren für Dünnbleche werden bei Stahlwerkstoffen oftmals die Ausbildung des tragenden Querschnittes, der Nahteinfall und die Porenfreiheit bewertet. Der Einsatz von neuartigen Hochleistungslaserquellen mit Fokustaillen unterschiedlicher Ausbreitung und Form führt zur Erweiterung der Prozessgrenzen für diese Laserart. Neue Prozessbedingungen rufen jedoch eine veränderte Temperaturverteilung im Werkstoff hervor, die zu einer Veränderung der werkstofftechnischen Merkmale, wie Erstarrungsbedingungen und Schmelzbadform, und der Belastbarkeit führt. In diesem Beitrag werden vergleichende Untersuchungen zum Fügen von laserstrahltypischen Verbindungen aus austenitischen Stahlwerkstoffen an einem 4,4 kW Nd:YAG Laser und an unterschiedlichen Hochleistungsdiodenlasern (der Leistung 6 kW und 3 kW) präsentiert. Die Prozessmerkmale beider Laserquellen, wie beispielsweise Einschweißtiefe und Geschwindigkeit, Spaltüberbrückbarkeit und Positionierung des Brennfleckes werden ausgearbeitet und bieten dem Anwender eine Hilfe und eine Referenz bei der Auswahl. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein besonderes Augenmerk auf die Eigenschaften der Verbindungen gelegt. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass die Erstarrungsbedingungen, die sich aus dem Temperaturfeld, und damit aus der Wahl der Laserquelle und Prozessbedingungen, ergeben, eine entscheidende Rolle auf das Tragverhalten auch unter schwingender Belastung spielen. Somit ergeben sich weitere werkstofftechnische Aspekte, die bei der Auswahl der Laserquelle betrachtet werden müssen.