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. Datei-Upload durch TIB To realize lightweight design potential, sheet metal materials made of aluminum, titanium, and stainless steel are increasingly used in industries such as automotive as well as aerospace. However, these materials exhibit a high tendency toward adhesion. Adhesion represents a major challenge in industrial sheet metal processing, for example in shearing and deep drawing, as it leads to galling during the process, tool damage, and reduced component quality. Consequently, shortened maintenance intervals and increased process costs occur. In previous research projects, it was demonstrated at utg that thermoelectric currents have a significant influence on adhesion formation. These currents arise from the temperature gradients occurring in the shear zone during the shearing process as well as from the material-specific difference in the Seebeck coefficients of tool and sheet materials. With increasing temperature gradients and growing absolute differences in the Seebeck coefficients, the thermoelectric current increases, thereby affecting the tendency for cold welding. The objective of this research project was to deliberately reduce adhesion formation during shear cutting and deep drawing in order to prevent galling and to increase process stability and tool life. Since the suppression of thermoelectric currents provides the most effective reduction of cold welding, the thermoelectric behavior of the tool material was specifically adapted to that of the respective sheet material. If the Seebeck coefficients of both contact partners match, naturally occurring thermoelectric currents are largely suppressed, and adhesion formation is reduced to a minimum. To implement this approach, tool materials were coated with an iron-based powder material using extreme high-speed laser material deposition (EHLA), and the chemical composition of the coating was deliberately modified with nickel and silicon. In this way, coatings were produced whose Seebeck coefficients were adjusted to be nearly identical to those of the respective sheet materials. The objective of the project was achieved.