Punktuelle Magnesium-Aluminium-Verbindungen

Point Bonding of Magnesium – Aluminium Structures

  • Leichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik, weshalb zur Herstellung von punktuellen Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt wurde. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten aufgrund ihrer Gitterstruktur sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Dessen hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Da die sehr gute WärmeleitungLeichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik, weshalb zur Herstellung von punktuellen Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt wurde. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten aufgrund ihrer Gitterstruktur sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Dessen hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Da die sehr gute Wärmeleitung des Fügewerkzeugs die zugeführte Energie sehr schnell wieder abführt, ist zusätzlich eine Vorwärmung der Werkzeuge zwingend. Die thermischen Bedingungen wurden zunächst mit dem Ziel der Reduzierung des Versuchsaufwandes simuliert und das Modell versuchs¬technisch validiert. Die thermischen Bedingungen am Bauteil und am Werkzeug wurden mit dem Ziel der Einstellung hoher Verbindungsfestigkeiten variiert. Als Optimierungskriterium wurde die Scherzugfestigkeit definiert. Um die Erwärmung der beiden Werkstoffe sowie des Werkzeugs reproduzierbar zu gestalten, erwies sich eine Kombination von joulescher- und induktiver Erwärmung als sinnvoll. Die messtechnische Erfassung der Bauteiltemperatur erfolgte, um die zeitliche Wirkung der Induktorleistung bei definierter Position zum Bauteil als Kriterium der zugeführten thermischen Energie nutzen zu können. Eine Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bewegungs¬parameter führte zu reproduzierbaren hoch festen Verbindungen.show moreshow less
  • Lightweight construction using mixed materials requires a viable means of bonding together the different materials used. The choice of bonding technology will be based on the actual materials in question and the desired bonding properties. The limited miscibility of aluminium and magnesium in their molten state presents technological problems in terms of thermal bonding of these two metals. For this reason, a thermo-mechanical procedure was developed for their spot joining. The technique is based on clinching and the appropriate thermal conditions for this were established such that acceptable spot bond strengths achieved. Whereas many aluminium alloys, thanks to their crystal structure, can readily be deformed and thus lend themselves well to the clinching process, the same is not true for magnesium. The hexagonal lattice structure of this metal requires sufficient heat treatment before the joining process. Because the forming tools themselves possess high thermal conductivity which could result in rapid cooling of the work, theLightweight construction using mixed materials requires a viable means of bonding together the different materials used. The choice of bonding technology will be based on the actual materials in question and the desired bonding properties. The limited miscibility of aluminium and magnesium in their molten state presents technological problems in terms of thermal bonding of these two metals. For this reason, a thermo-mechanical procedure was developed for their spot joining. The technique is based on clinching and the appropriate thermal conditions for this were established such that acceptable spot bond strengths achieved. Whereas many aluminium alloys, thanks to their crystal structure, can readily be deformed and thus lend themselves well to the clinching process, the same is not true for magnesium. The hexagonal lattice structure of this metal requires sufficient heat treatment before the joining process. Because the forming tools themselves possess high thermal conductivity which could result in rapid cooling of the work, the forming tools themselves have to be pre-heated. The required thermal conditions were initially simulated in order to reduce the time needed for the research, the model for this being experimentally validated. The thermal conditions experienced by the component and the tooling were explored in order to find optimum conditions for maximum bond strength. The parameter for optimisation was defined as the shear strength. In order to ensure reproducibility of the heat-treatment regime for both the two metals and the tooling, both Joule heating and inductive heating were found to be best. Temperature measurement of the components was used in order to characterise the temperature-time profile as a function of induction loading for a given positioning of the component, as a criterion for following the energy input. Matching the tooling geometry with the movement parameters resulted in the reproducible formation of high-strength joints.show moreshow less

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Metadaten
Author: Daniel Serafinski, Ralf WinkelmannGND
URL:http://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2017/04/WOMag_4_17_frei.pdf
ISSN:2195-5905
ISSN:2195-5891
Title of the source (German):WOMAG : Kompetenz in Werkstoff und funktioneller Oberfläche
Document Type:Scientific journal article peer-reviewed
Language:German
Year of publication:2017
Tag:Aluminium; Clinchen; Magnesium; Vorwärmung
Volume/Year:5
Issue number:4
First Page:4
Last Page:6
Faculty/Chair:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Fertigungstechnik
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