Reduzierung von Kaltaufschweißungen durch gezielte Anpassung des Seebeck-Koeffizienten von Werkzeugwerkstoffen mittels Laserauftragschweißen

Abstract

Zur Realisierung von Leichtbaupotenzialen werden in Wirtschaftszweigen wie der Automobil- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie zunehmend Blechwerkstoffe aus Aluminium, Titan und Edelstahl eingesetzt. Diese Werkstoffe zeichnen sich jedoch durch eine hohe Adhäsionsneigung aus. Adhäsionen stellen eine zentrale Herausforderung in der industriellen Blechverarbeitung, etwa beim Scherschneiden und Tiefziehen, dar, da sie zu Flittern im Prozess, Werkzeugschädigungen und einer reduzierten Bauteilqualität führen. In der Folge ergeben sich verkürzte Instandhaltungsintervalle und erhöhte Prozesskosten. In vorhergehenden Forschungsprojekten konnte am utg nachgewiesen werden, dass thermoelektrische Ströme einen maßgeblichen Einfluss auf die Adhäsionsbildung besitzen. Diese Ströme entstehen infolge der im Scherschneidprozess auftretenden Temperaturgradienten in der Scherzone sowie der werkstoffspezifischen Differenz der Seebeck-Koeffizienten von Werkzeug- und Blechwerkstoffen. Mit zunehmendem Temperaturgradienten und steigender betragsmäßiger Differenz der Seebeck-Koeffizienten erhöht sich der thermoelektrische Strom, wodurch die Neigung zu Kaltaufschweißungen beeinflusst wird. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Adhäsionsbildung beim Scherschneiden und Tiefziehen gezielt zu reduzieren, um der Entstehung von Flittern vorzubeugen sowie die Prozessstabilität und Standmenge zu steigern. Da die Unterdrückung thermoelektrischer Ströme die wirksamste Reduzierung von Kaltaufschweißungen bewirkt, wurde das thermoelektrische Verhalten des Werkzeugwerkstoffs gezielt an den jeweiligen Blechwerkstoff angepasst. Stimmen die Seebeck-Koeffizienten beider Kontaktpartner überein, werden natürlich entstehende Thermoströme weitgehend unterdrückt und die Adhäsionsbildung auf ein Minimum begrenzt. Zur Umsetzung dieses Ansatzes wurden Werkzeugwerkstoffe mittels Extremem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) mit einem eisenbasierten Pulverwerkstoff beschichtet und dessen chemische Zusammensetzung gezielt mit Nickel und Silizium modifiziert. Auf diese Weise konnten Beschichtungen hergestellt werden, deren Seebeck-Koeffizienten nahezu deckungsgleich an die der jeweiligen Blechwerkstoffe angepasst waren. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.