Nonvakuum-Elektronenstrahlschweißen mit gepulstem Strahlstrom und Ultraschallanregung

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Vor dem Hintergrund der Senkung der CO2-Emissionen durch Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gewinnt der Stoffleichtbau im Automobilbau zunehmend an Bedeutung. Beispiele für innovativen Leichtbau sind neben dem Einsatz hoch- und höchstfester Stähle auch Werkstoffkombinationen aus Stahl und Aluminium im Dünnblechbereich. Das Nonvakuum-Elektronenstrahlschweißen bietet sich aufgrund der hohen Fügegeschwindigkeiten, der werkstückunabhängigen Energieeinkopplung und der guten Spaltüberbrückbarkeit für das thermische Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen an. Zentrale Probleme beim thermischen Fügen von Stahl und Aluminium sind die spröden intermetallischen Eisen-Aluminium-Phasen, die zu einem Versagen der Naht führen können, und die schlechte Benetzung der Stahloberfläche mit flüssiger Aluminiumschmelze aufgrund der stabilen Aluminiumoxidhaut. Um die Phasenbildung auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein präzises Temperatur-Zeit-Regime erforderlich, das durch das Strahlpulsen erreicht werden kann. Die Oberflächenaktivierung mittels Ultraschall zur Zerstörung der Aluminiumoxidhaut wird bereits beim Ultraschalllöten erfolgreich eingesetzt. Hier setzt diese Arbeit an. Sie untersucht die positive Beeinflussung der Schmelzbaddynamik mittels Strahlpulsen und Ultraschallanregung beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre. Der Einfluss des Strahlpulsens auf die Schmelzbaddynamik und die Nahtbeschaffenheit konnte deutlich gezeigt werden. Es gelang, die Humpingbildung bei höheren Schweißgeschwindigkeiten im Puls- und Offset-Pulsbetrieb zu unterdrücken. Beim Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen führte der Offset-Pulsbetrieb zu einem Aufbrechen der Aluminiumoxidhaut, einem feinkörnig erstarrten Gefüge und zu einer Qualitätssteigerung der gefügten Nähte. Das Fügen mit Ultraschallanregung zeigt einen deutlichen Einfluss auf die Schmelze. Die Bildung von Kavitationsblasen führt zu einer Ablösung des intermetallischen Phasensaums. Der Ultraschall bewirkt beim Fügen von AlSi-Legierungen die Bildung von Siliziumkörnern und netzartigen Siliziumanreicherungen in der Schmelze. Durch den Ultraschalleinfluss konnten die Zyklen der Phasenbildung, der Ablösung der Phasen und der Phasenneubildung dokumentiert werden.