Schweißen von additiv gefertigten Materialien

Metallteile werden zunehmend mit additiver Fertigung (AM oder 3D-Druck) hergestellt. Für die additive Fertigung von Metallteilen gibt es inzwischen achtzehn verschiedene Verfahren. Doch oft sind die 3D-gedruckten Werkstücke in ihrer Größe noch begrenzt. Eine Lösung zur Herstellung großer Teile besteht darin, das Werkstück in mehrere Teile zu zerlegen und diese dann zusammenzuschweißen. Es besteht auch die Notwendigkeit, AM-Teile mit konventionellen Produkten zu verbinden, wenn sie in bestehende Produkte oder Strukturen integriert werden sollen. Mit dem Projekt COAMWELD will das belgische Institut für Schweißtechnik diese Frage untersuchen.

Der 3D-Druck erfordert Schweiß- und Fügeverfahren, um AM-Metallteile zu größeren Baugruppen zusammenzuschweißen, sowie die Möglichkeit, defekte AM-Metallteile zu reparieren und nachzubearbeiten. Eine zuverlässige Fügetechnik bietet eine größere Designflexibilität für additiv gefertigte Teile, die ansonsten aufgrund der begrenzten Größe der Anlagen nicht hergestellt werden könnten. 

Das Ziel des COAMWELD-Projekts ist die Entwicklung von Verbindungskonzepten für das Schweißen von metallgedruckten Teilen an konventionell gefertigte Werkstücke. Das Schweißen von metallischen 3D-gedruckten Teilen kann problematisch sein, da die Materialien eine andere Struktur (Dichte, Mikrostruktur...) aufweisen als herkömmliche Metallteile.

Derzeit gibt es keine Richtlinien für die Herstellung solcher Schweißnähte. Dieses Wissen wird entwickelt, um diese verschiedenen Metallkombinationen qualitativ zu verbinden. Für eine Auswahl von Schweißverfahren werden verschiedene Verbindungstechniken in Betracht gezogen und auf ihre Machbarkeit hin untersucht. Die folgenden Themen werden untersucht:

- Welche Verfahren können eingesetzt werden, um AM-Teile mit konventionell gefertigten Teilen zu verbinden?

- Richtlinien für die optimale Kombination von konventionellen Schweißverfahren und AM-
Techniken.

- Welchen Einfluss hat das verwendete Schweißverfahren auf die (mechanischen) Eigenschaften der Teile und der Verbindung selbst?

In der Literatur finden sich nur wenige Informationen über die Anwendung von Schweißtechniken für AM-Teile und die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge in der Schweißzone solcher Verbindungen.

Die folgenden AM-Verfahren wurden im Projekt berücksichtigt: L-PBF (selektives Laserschmelzen), L-DED (direkte Energieabscheidung mit Laser), PMD (Plasma-Metallabscheidung mit Pulver oder Draht) und DED-GMA (WAAM). Die zu untersuchenden AM-Materialien sind:

- Stahl: AWS ER 70S-6 Kohlenstoffstahl mit WAAM und HC380LA mit L-PBF.

- Edelstahl AISI 316L, hergestellt mit L-PBF, und 316LSi, hergestellt mit L-DED.

- Aluminium AA5183 mit WAAM und AlSi10Mg mit L-PBF.

Die AM-Materialien wurden immer mit ähnlichen konventionellen Materialien (S355, AISI 316L und AA5083) verschweißt. Eine ähnliche Aufgabe wurde für die Schweißverfahren durchgeführt, um die potenziell machbaren Verbindungstechniken zu ermitteln. Hinsichtlich der zu untersuchenden Schweißverfahren wurde die folgende Auswahl getroffen: MIG/MAG, WIG, Plasma, Laser, Reibschweißen und Rührreibschweißen (FSW). Bei den gewählten Lichtbogenschweißverfahren handelt es sich um in der Industrie weit verbreitete Verfahren. Die oben genannte Auswahl schließt nicht aus, dass im weiteren Verlauf des Projekts auch andere Verfahren untersucht werden. 

Auf der Grundlage der oben genannten Informationen und der verfügbaren Normen für das konventionelle Schweißen der genannten Werkstoffe (z. B. ISO 15614) wurde ein Prüfplan erstellt. Darin wurden die Schweißgeometrie, die Form und die Abmessungen der Proben, die durchzuführenden Prüfungen und die Abnahmekriterien festgelegt. Für die Durchführung der allgemeinen Studie wurden zwei Schweißkonfigurationen gewählt: Rohrstumpfverbindungen und Platten. Es wird eine allgemeine experimentelle Studie über die Faktoren durchgeführt, die die gewünschten Verbindungseigenschaften bestimmen. Die ausgewählten Werkstoffe wurden mit den genannten Schweißverfahren geschweißt, um:

- Prüfung der Schweißbarkeit, 

- die mit den verschiedenen Verfahren zu erreichenden Schweißeigenschaften zu ermitteln,

- Benchmarking der Fähigkeiten der Verbindungsprozesse.

Ziel ist es, den Anwendungsbereich der einzelnen Schweißverfahren für das Fügen von AM-Bauteilen zu ermitteln.  

Für alle durchgeführten Schweißnähte wurden stets die in der Norm ISO 15614-1 & 2 festgelegten Prüfungen durchgeführt. Dazu gehörten eine metallographische Untersuchung, Härtemessungen sowie Zug- und Biegeversuche.  

Beim Fügen konventionell hergestellter Aluminiumlegierungen, insbesondere aber beim Fügen von AM-Aluminiumlegierungen, gelten Porositäten als die kritischste Herausforderung für die Schweißqualität. Dies ist hauptsächlich auf die geringe Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium bei niedrigen Temperaturen zurückzuführen. 

Beim Schweißen ist die Löslichkeit des Wasserstoffs im Schweißbad aufgrund der hohen Prozesstemperatur sehr hoch. Bei schneller Abkühlung während der Erstarrung des Schweißbades kann der nun nicht mehr lösliche Wasserstoff nicht rechtzeitig aus dem Schweißbad entweichen und bleibt als Porosität zurück. Um dies zu vermeiden, ist es ratsam, nach Beendigung des Schweißvorgangs kontrolliert abzukühlen.

Diese Herausforderungen hängen zwar mit dem Material selbst zusammen, sind aber beim Fügen von additiv gefertigten Aluminiumlegierungen noch kritischer, wie z. B. die Porositäten, die beim Schweißen von mit L-PBF hergestellten Teilen auftreten (siehe Abbildung 2). Die hohe Anzahl von Porositäten, insbesondere in der Nähe des L-PBF-Materials, ist auf den Werkstoff selbst zurückzuführen. Das in L-PBF-Verfahren verwendete Basispulver hat ein höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als drahtbasierte Zusatzstoffe, so dass Wasserstoff von der Pulveroberfläche absorbiert werden kann, was umso mehr gilt, wenn das Pulver im Prozess recycelt und wiederverwendet wird. Der Einfluss des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses der Additive der AM-Verfahren (Pulver und Draht) auf den Porositätsgehalt lässt sich auch beim Vergleich des Schweißens in konventionellen, WAAM- und L-PBF-Blechen beobachten (siehe Abbildung 3). Der hohe Porositätsgehalt ist der Hauptfaktor für die Verringerung der mechanischen Eigenschaften (Abbildung 4). Die Porosität kann auch über die Bruchflächenanalyse festgestellt werden (Abbildung 5). 

Es konnte festgestellt werden, dass mit WAAM hergestellte Aluminiumteile mit Schmelzschweißverfahren wie MIG/MAG, Elektronenstrahl- oder Laserschweißen geschweißt werden können. Derzeit werden weitere Untersuchungen zum Schweißen von L-PBF-Aluminium AlSi10Mg durchgeführt, z. B. zum Einfluss des Zusatzwerkstoffs, des Schutzgases und der Laserreinigung. 

Festkörperschweißverfahren haben ein größeres Potenzial für das Schweißen von L-PBF-Aluminium AlSi10Mg. Das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein Festkörperfügeverfahren, bei dem ein rotierendes Werkzeug, bestehend aus einer Schulter und einem Gewindestift, zwischen den zu verschweißenden Blechen bewegt wird. Die starke plastische Verformung in Verbindung mit der hohen Temperatur während des Prozesses führt zu feinen, gleichmäßigen rekristallisierten Körnern in der Schweißlinse. Eine Vorstudie wurde durchgeführt, um die Machbarkeit des Rührreibschweißens von L-PBF AlSi10Mg-Blechen nachzuweisen. Die dabei auftretenden metallurgischen Entwicklungen wurden anhand von metallographischen und zerstörenden Untersuchungen untersucht. 

Ein Querschnitt einer typischen Schweißnaht ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Schweißnaht weist die klassische Morphologie auf, die bei reibgeschweißten Stumpfnähten zu beobachten ist. Diese Textur ist auf die intensive plastische Verformung und die hohen Temperaturen beim FSW-Schweißen zurückzuführen. Anhand der mikrostrukturellen Merkmale der Körner und Ausscheidungen lassen sich in der Schweißnaht zwei Zonen unterscheiden, nämlich die gerührte Zone (Schweißlinse) und die thermomechanisch beeinflusste Zone (TMAZ). Das Gefüge des Grundwerkstoffs ist an den Seiten der Schweißnaht sichtbar. 

Die Ergebnisse dieser vorläufigen Arbeit zeigen, dass L-PBF AlSi10Mg-Bleche erfolgreich mit FSW geschweißt werden können, um größere Teile herzustellen.    

Wenn Sie die Schweißbarkeit Ihrer AM-Teile untersuchen möchten, können Sie dies im Rahmen des COAMWELD-Projekts tun. Kontaktieren Sie Koen Faes vom belgischen Institut für Schweißtechnik für weitere Informationen, per E-Mail Koen.Faes@bil-ibs.be oder per Telefon
+32 9 292 14 03.