Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Berechenbare Thermische Prozesse

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Lichtmikroskopische Aufnahme der unterschiedlichen Gefügezonen einer Schweißverbindung.

Um bei Thermoprozessen, wie Schweißen, Gießen, Härten, Sintern oder Laserschmelzen die gewünschten mechanischen, chemischen und physikalischen Bauteileigenschaften zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der in den Werkstoffen ablaufenden Diffusions-, Rekristallisationsprozesse und Phasenumwandlungen erforderlich. Dieses ist entscheidend für die Prozessführung und letztlich die Langlebigkeit, Festigkeit und Beständigkeit von Bauteilen.

Beispiele für spezifische Herausforderungen, die uns in Projekten beschäftigen:

  • Temperaturführung in der Wärmebehandlung
  • Einstellen von gewünschten Mikrostrukturen
  • Phasenseparation und Diffusionsvorgänge in Mehrphasenlegierungen
  • Eigenspannungsmanagement und Verzugskontrolle
  • Porositäts- und Dichtesteuerung beim Sintern
  • Parameterabstimmung im selektiven Laserschmelzen

Berechenbare thermische Prozesse — Anwendungsbeispiele

Wir machen Unvorhersehbares, Unerklärliches und Unregelmäßiges berechenbar. In den Anwendungsbeispielen zeigen wir, wie wir arbeiten und wie unseren unterschiedlichen FuE-Leistungen ineinandergreifen, um eine umfassende Lösung zu erzeugen.

 

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Optimierte Stahloberflächen durch Laserumschmelzen

Das Laserumschmelzen von Stahloberflächen ist ein attraktives Verfahren, um die Verschleißbeständigkeit, die Härte, oder die Korrosionsbeständigkeit von Oberflächen zu verbessern. Es ermöglicht, beschädigte Oberflächen zu reparieren oder gezielt Material aufzutragen. 

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Werkstoff- und Eigenspannungszustände beim induktiven Härten

Beim induktiven Härten großer Bauteile, wie beispielsweise Lagerringen in Windkraftanlagen, erfolgt die Erwärmung aufgrund der Bauteilgröße häufig durch einen bewegten Induktor. Damit können die Verschleißfestigkeit und Lebensdauern gezielt verbessert werden. 

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Optimiertes Ausscheidungshärten von Cu-Legierungen

Das Ausscheidungshärten ist ein entscheidender Mechanismus zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen, insbesondere von Cu-Legierungen, die neben hohen Festigkeiten auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit benötigen. Speziell in Kontaktwerkstoffen für Steckverbinder sind kleine, fein verteilte Ausscheidungen in einer homogenen Mischkristallmatrix gefragt, um die Anforderungen an Festigkeit, Relaxationseigenschaften und Leitfähigkeit zu erfüllen. 

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Eigenspannungen an Offshore-Mantelrohren zur Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit

Eigenspannungen in großen Mantelrohren spielen eine entscheidende Rolle bei der strukturellen Integrität von Offshore-Windkraftanlagen. Aufgrund der komplexen Geometrie sind Eigenspannungen schwer zu bestimmen, jedoch ist deren Kenntnis aufgrund der langen geforderten Einsatzzeiten und der klimatischen Belastungen von großer Bedeutung für eine sichere Bauteilauslegung. 

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Eigenspannungsanalysen an Laserschweißnähten

Aufgrund der hohen Temperaturgradienten und schnellen Abkühlraten beim Laserschweißen entstehen komplexe Eigenspannungen, die zu Verzug, Rissbildung oder verminderter Bauteilfestigkeit führen können. Die Herausforderung besteht darin, diese Eigenspannungen präzise zu messen und zu bewerten, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der geschweißten Komponenten sicherzustellen.

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Zuverlässige Al-Cu-Fügeverbindungen durch Magnetimpulsschweißen

Kupfer ist aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und Verformbarkeit das Standardmaterial für elektrische Leitungen, jedoch teurer und schwerer als Aluminium. In der Elektromobilität werden daher Aluminium und Kupfer parallel eingesetzt und müssen an bestimmten Stellen stoffschlüssig und leitfähig verbunden werden. Die spontan entstehenden Oxidschichten auf Aluminium und intermetallische Phasen an der Verbindungsstelle können erhebliche Schwierigkeiten bereiten.

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Kaltrissrisiko beim Schweißen minimieren

Beim Schweißen hochfester Stähle treten häufig Kaltrisse auf, die die Bauteilsicherheit stark beeinträchtigen können. Diese Risse entstehen meist lokal in der Schweißzone durch das Zusammenspiel von Gefügestruktur, Eigenspannungen und Wasserstoffeintrag. 

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Schädigungsmechanismen an Schweißverbindungen aus Baustahl

Die Rissentstehungsphase in Schweißverbindungen, d.h. wo Risse entstehen und wie sie wachsen, ist für Bewertung der Bauteilsicherheit von zentraler Bedeutung. Aufgrund des bei der Schweißung entstehenden Wärmeeintrags bilden sich mehrere Gefügezonen (Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone, Schweißnaht) mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften nebeneinander aus. Genaue Kenntnisse über die Rissentstehung sind notwendig, da die bruchmechanische Lebensdauerbewertung auf einem vorhandenen Riss mit definierter Tiefe und Breite aufbaut. 

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Entgasungs-Wärmebehandlung für galvanisch beschichtete Bauteile

Die Entgasungs-Wärmebehandlung dient dem Austreiben von Wasserstoff aus galvanisch beschichteten Bauteilen, um Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Meist erfolgen solche Wärmebehandlungen auf Basis experimenteller Versuche, wobei die Richtlinien zu Temperaturen und Behandlungszeiten oft ungenau sind. Das führt zu konservativen, zeit- und kostenintensiven Prozessen, die das konkrete Schicht-Substrat-System und die Bauteilgeometrie unzureichend berücksichtigen. 

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