Beurteilung des Einflusses von beschichteten Drahtelektroden beim MSG-Schweißen von Aluminiumlegierungen

Die Reduktion des CO2-Ausstoßes ist ein wesentlicher Bestandteil der Bekämpfung des Klimawandels und wird von der Politik entsprechend priorisiert. Der Leichtbau leistet dabei einen entscheidenden Beitrag. Speziell im Transport- und Logistiksektor setzt die Substitution von Stahlwerkstoffen durch Aluminiumwerkstoffe voraus, dass die Werkstoffeigenschaften dies zulassen und erfordert zwingend, dass eine sichere fügetechnische Verarbeitung des Werkstoffs gegeben ist. Bei der schweißtechnischen Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen sind Heißrisse ein limitierender Faktor, ebenso wie der Erhalt der Festigkeitseigenschaften im Bereich der Schweißnaht. Zusatzwerkstoffe nehmen mit ihrem Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes eine Schlüsselrolle ein, da sie das entstehende Gefüge maßgeblich bestimmen. Sie werden in Abhängigkeit des zu verarbeitenden Werkstoffes ausgewählt. Die chemische Zusammensetzung, zur Herstellung des Zusatzwerkstoffs, wird in der schmelzflüssigen Phase eingestellt. Es schließen sich weitere Arbeitsschritte wie das Strangpressen und das Drahtziehen an, um die als Schweißzusatz verwendete Drahtelektrode zu erzeugen. Auf diese Weise können große Mengen Schweißzusatz hergestellt werden. Die Untersuchung der Wirkung verschiedener Legierungselemente sowie deren Gehalt im Schweißgut setzt dabei jedoch voraus, dass Versuchsschmelzen angesetzt werden und dieser aufwendige Prozess durchlaufen wird. Zudem ist eine breiter gefächerte Individualisierung der Zusatzwerkstoffe im Anschluss an den Herstellungsprozess nicht mehr möglich. An dieser Stelle setzen die in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen zur Modifikation von Aluminiumdrahtelektroden durch PVD-Beschichtungen an. Dünnfilmbeschichtungen bieten die Möglichkeit, Mikrolegierungselemente in das Schweißgut einzubringen und das entstehende Gefüge zu beeinflussen. Die Verarbeitbarkeit derart modifizierter Drahtelektroden sowie deren Einfluss auf das Schweißgut und den Schweißprozess bei Aluminiumwerkstoffen ist bisher weitgehend ungeklärt und wirft entsprechende Forschungsfragen auf. Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung grundlegender Zusammenhänge zwischen verschiedenen PVD-Dünnfilmbeschichtungen auf Zusatzwerkstoffen beim Metall-Inertgasschweißen und deren Einfluss auf das Schweißgut und die Schweißprozesseigenschaften. Die Motivation besteht in grundlegenden und Wissen schaffenden Untersuchungen, die am Beispiel einer Massivdrahtelektrode nach ISO 18273 – S Al 5754 (AlMg3) durchgeführt werden. Als Beschichtungselemente werden Niob, Nickel, Silicium, Titandiborid, Titan (-nitrid / -oxid) und Zirkonium (-oxid) ausgewählt. Bei den Untersuchungen zeigt sich ein Zusammenhang zwischen der Schichtdicke der Dünnfilmbeschichtung und der Porosität im Schweißgut. Die erhöhte Porosität kann auf einen mit der Schichtdicke steigenden Wasserstoffgehalt zurückgeführt werden, wobei dieser Zusammenhang darüber hinaus beschichtungselementabhängig ist. Die Auswirkungen der Beschichtungswerkstoffe auf das Schweißgut werden anhand der Korngröße dargestellt. TiB2-Beschichtungen kann dabei eine besonders kornfeinende Wirkung nachgewiesen werden. Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen liegt auf der Beeinflussung der Heißrissanfälligkeit des Schweißgutes. Es wird gezeigt, dass insbesondere Titan- und Titandiboridbeschichtungen die Heißrissanfälligkeit senken können. Die aus den erarbeiteten Versuchsergebnissen entwickelten Modelle zur Darstellung optimaler Elementgehalte in Bezug auf die Heißrissanfälligkeit korrelieren mit ähnlichen Untersuchungen zu dem Zusammenhang zwischen Kornfeinung und Heißrissanfälligkeit im Stand der Forschung. Neben der Heißrissanfälligkeit werden die Festigkeitseigenschaften (quasistatisch, dynamisch-schlagartig, zyklisch) des Schweißgutes untersucht. Zirkoniumoxidbeschichtungen wird eine deutliche Steigerung der quasistatischen Festigkeit nachgewiesen. Im Gegensatz dazu ließen sich durch die Dünnfilmbeschichtungen keine signifikanten Verbesserungen der dynamisch-schlagartigen Festigkeiten erzielen. Die Ergebnisse zur Betrachtung der zyklischen Festigkeiten legen dar, dass besonders Zirkoniumoxid-, Titanoxid-, und Nickelbeschichtungen eine Erhöhung der ertragbaren Schwingspielzahlen bei gleichen Lasten aufweisen. Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchung ist der Einfluss auf den Lichtbogen und den Schweißprozess. Es wird gezeigt, dass die Lichtbogenlänge in Abhängigkeit der auf der Oberfläche der Drahtelektroden befindlichen Beschichtungselemente abnimmt und darüber hinaus ein Zusammenhang mit der Schichtdicke besteht. Mit Hilfe des Schwellenwertverfahrens werden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen in Binärbilder überführt, um die Lichtbogenlänge ermitteln zu können und die Längenänderung zu belegen. Der durch die Beschichtungen höhere Metalldampfgehalt reduziert den längenspezifischen Widerstand der Lichtbogensäule. Die Schweißstromquelle reagiert kennlinienbedingt mit einer Erhöhung des Schweißstroms und damit auch der Schweißprozessenergie. Des Weiteren sind durch die Beschichtungen teils systematische Einflüsse auf das Einbrandverhalten erkennbar. Es konnte gezeigt werden, dass PVD-Beschichtungen auf Aluminiumschweißdrahtelektroden dazu verwendet werden können, die Legierung des Schweißgutes zu ändern und dadurch die Korngröße zu reduzieren. Durch die Auswahl entsprechender Beschichtungselemente kann die Heißrissanfälligkeit im Schweißgut gesenkt werden. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften und der Schweißprozess durch derart modifizierte Schweißdrahtelektroden positiv beeinflusst.