Spottbillige, aber stahlharte Leichtmetallverbindungen
Die Balance von Gewicht und Festigkeit stellte für den Fertigungssektor schon immer eine Herausforderung bei der Entwicklung von sichereren, günstigeren und umweltfreundlicheren Hochleistungsprodukten dar. Forschungsergebnisse und erfolgreiche Fallstudien aus der Industrie haben gezeigt, dass geringeres Gewicht und erhöhte Leistung nur erreicht werden können, wenn Materialeigenschaften und -geometrie ideal an die Anforderungen, das Belastungsprofil und die Funktion des Produkts angepasst werden. Speziell bei Materialien, die schwer zu handhaben sind, erfordert die Produktion der gewünschten Form innovative Fertigungsstrategien. Die Verbindung von Metallen durch elektromagnetisches Pulsschweißen ist eine vielversprechende innovative Technologie, mit der diese Anforderung erfüllt werden kann. „Das Verfahren eignet sich zum Schweißen ähnlicher und unterschiedlicher Materialkombinationen, einschließlich mehrerer, die mit konventionellen Verfahren schwer zu verbinden sind“, so Verena Psyk, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts JOIN-EM. Wie der Name sagt, werden beim elektromagnetischen Pulsschweißen elektromagnetische Kräfte zum Verbinden von Werkstücken genutzt. Die Verbindung wird ohne Wärme geformt, abhängig eher von der Wirkung der Verbindungsteile. Das Verfahren benötigt keine Ströme oder Abschirmgase und generiert weder schädlichen Rauch, noch schädliche Dämpfe oder Schlacke. Dadurch werden die negativen Auswirkungen auf die Umwelt insgesamt verringert. „Diese Verbindungstechnik ist zwar weit verbreiteten Techniken wie Sprengschweißen oder Auftragschweißen ähnlich, ist aber deutlich weniger sicherheitskritisch. Dadurch kann es in der Industrie einfacher eingesetzt werden“, ergänzt Verena Psyk. Arbeitsprinzip Beim elektromagnetischen Pulsschweißen wird ein sogenannter Pulsgenerator eingesetzt, der in erster Linie aus einer Kondensatorbatterie besteht. Wenn die erforderliche Energiemenge in den Kondensatoren gespeichert ist, wird sie unverzüglich in eine Spule abgegeben. Der Entladungsstrom induziert ein starkes transientes Magnetfeld. Das erzeugte gepulste Magnetfeld induziert einen entgegengesetzten Strom im Werkstück. Die Interaktion zwischen den zwei Strömen und dem Magnetfeld erzeugen Lorentz-Kräfte, die das Werkstück für einen sehr kurzen Zeitraum auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Nach Überwindung der ursprünglichen Lücke dazwischen prallt das Werkstück mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf das Zielarbeitsstück auf. Die Qualität dieser Kollision hängt von der Aufprallgeschwindigkeit und dem Kollisionswinkel ab. Befinden sich diese Kollisionsparameter innerhalb eines Prozessfensters, wird eine Schweißverbindung erzeugt, die häufig eine wellige Schnittstelle aufweist. Die Nutzung einer endlichen Ressource optimieren Aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit eignet sich Kupfer für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere Heiz- und Kühlgeräte sowie elektrische Geräte. Es handelt sich jedoch um ein Schwermetall, dessen intensive Anwendung den modernen Leichtbaukonzepten widerspricht. Angesichts der steigenden Nachfrage und der derzeit bekannten Reserven wird Kupfer teurer und schwieriger zu beschaffen werden, wodurch die Hersteller vor eine zusätzliche Herausforderung gestellt werden. Ziel des Projekts JOIN-EM war die Senkung des Kupferverbrauchs durch teilweise Substitution des Kupfers durch Aluminium. „Unsere neue Verbindungslösung hilft bei der Umsetzung verbesserter Leichtbauentwürfe aus Kupfer-Aluminium-Hybridprodukten mit weiterer Kostenreduktion und besserer Leistung. Die Verbindung wird schneller und effizienter durchgeführt, was zu erhöhter Lebensdauer und Qualität der Verbindungen führt. Zusammengenommen wird dies alles den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen verringern – eine Anforderung mit zunehmender Bedeutung für zahlreiche Industrien“, erklärt Verena Psyk. Projektpartner zeigten den Erfolg ihres neuen Verbindungsverfahrens an drei Demonstrationsobjekten – einem Kühlkreislauf, einem Flachkondensator und einer Pouch-Zelle. Des Weiteren erkunden Sie nun die Möglichkeit, Ihren Prozess bei anderen Verbindungen mehrerer Materialien, unter anderem Kupfer-Stahl- und Aluminium-Stahl-Legierungen, einzusetzen.
Schlüsselbegriffe
JOIN-EM, Verbinden, Verbindung, Kupfer, Aluminium, elektromagnetisches Pulsschweißen, unterschiedliche Metalle
