Neue Möglichkeiten zur Prozessüberwachung und Effizienzsteigerung beim Magnetpulsschweißen

Die Umsetzung des belastungsangepassten Leichtbaus oder die kostenmotivierte Materialsubstitution erfordern in vielen Konstruktionen das Fügen von Bauteilen aus verschiedenartigen metallischen Werkstoffen. Pressschweißverfahren nutzen hohe mechanische Drücke zwischen den Fügepartnern zur Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung. Das Magnetpulsschweißen ist ein typischer Vertreter und prädestiniert für die Anwendung in der Massenproduktion, da der Vorbereitungsaufwand für die Fügeflächen verglichen mit Klebe- oder Lötprozessen reduziert werden kann und der Fügeprozess bereits innerhalb weniger Mikrosekunden abgeschlossen ist. Die Schnelligkeit des Verfahrens stellt jedoch zugleich auch eine Herausforderung dar: Die schlagartige mechanische Belastung während der Bauteilbeschleunigung wirkt auch auf die Werkzeugspulen und führt in Kombination mit der Joule'schen Erwärmung zu unerwünschten Verformungen oder zum Werkstoffversagen. Außerdem ist der Prozess mit konventionellen Messverfahren nur bedingt überwachbar, da die starken Magnetfelder in Fügezonennähe elektrische Messsignale stören und herkömmliche Sensoren den hohen Drücken nicht standhalten. In diesem Beitrag wird zunächst ein neuartiges Messkonzept vorgestellt, das eine einfache Überwachung der Schweißnahtausbildung beim Magnetpulsschweißen ermöglicht. Dazu wird der während der Kollision der Fügepartner auftretende Lichtblitz detektiert und charakteristische Werte wie Dauer und Intensität ausgewertet. Die Korrelation zwischen der Nahtausbildung und den charakteristischen Werten wird erfolgreich nachgewiesen und damit das Verfahren für die Prozessüberwachung qualifiziert. Des Weiteren kann mit einer stahlseitigen Nickelbeschichtung die minimal nötige Ladeenergie für das Verschweißen deutlich reduziert werden, was eine Entlastung der Werkzeugspulen bewirkt. Die Tragfähigkeit der magnetpulsgeschweißten Verbindung zwischen Aluminiumrohren und Stahlzapfen wurde in statischen und dynamischen Torsionstests nachgewiesen und anschließend mit laserstrahl- und elektronenstrahlgeschweißten Antriebswellen in Aluminiumbauweise verglichen.