In-situ Untersuchung des Reibrührschweißprozesses mittels hochenergetischer Synchrotronstrahlung

Abstract

Reibrührschweißen (engl. FSW) hat als modernes Fügeverfahren in den letzten Jahren Einzug in die industrielle Fertigung gehalten. Es gibt bereits vielfältige Anwendungen in der Flugzeug- und Schiffbauindustrie. Wenn metallische Werkstoffe gefügt werden, so beeinflußt der thermo-mechanische Prozeß deren Mikrostruktur und Eigenschaften. Im Bereich der Schweißnaht bildet sich eine Nicht-Gleichgewichtsphase aus, welche sich stark vom Grundwerkstoff unterscheidet. Unter anderem können Bruchlast und Zähigkeit der Materials herabgesetzt werden. Bei der Konstruktion integraler Strukturen wird versucht, diese Veränderung durch Vergrößerung der Bauteildimensionen oder durch komplexe Formen auszugleichen. Dies hat allerdings negative Folgen für Produktivität, Materialverbrauch und Preis der integralen Bauteile. Die Erkenntnisse über die Kinetik dieser Nicht-Gleichgewichtsphasen mußten bisher aus geschweißten Proben im Nachhinein (post-mortem) extrapoliert werden. Mit dem in-situ Experiment sind auch die Übergangsphasen während des Prozesses zugänglich und man erhält den direkten Blick auf deren Kinetik. Hierfür wurde am Helmholtz-Zentrum Geesthacht die portable Reibrührschweißanlage FlexiStir entwickelt und gebaut. Es ist so erstmals möglich, die Kinetik härtender Ausscheidungen im Werkstoff AA7449 während des Reibrührschweißens zu untersuchen. Mit Hilfe der Kleinwinkelstreuung können Volumenbruchteil und Radius dieser Partikel quantitativ für verschiedene Zonen der Schweißnaht bestimmt werden. Diese Daten sind eine wertvolle Stützstelle für das Prozeßmodell, welches das Reibr¨uhrschweißen beschreibt. Aufgrund der Streuergebnisse muß das Modell um die Ausscheidungen ergänzt werden, welche sich entlang der Korngrenzen während der Abkühlphase bilden. Zusätzliche wurden Eigenspannungsmessungen mittels Neutronenstreuung an reibrührgeschweißten Komponenten durchgeführt. Neutronen sind insbesondere zur Untersuchung großer Bauteile sehr gut geeignet. Die Ergebnisse können das Modell für das Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile validieren.