Laser beam welding of high-alloyed aluminium-zinc alloys
Creators: name: Enz, Josephin
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2017
Subjects: subject: Laser beam welding
subject: High-alloyed Al-Zn alloy
subject: Al-Zn-Mg-Cu
subject: Weldability
subject: Non-destructive testing
subject: Microstructural analysis
subject: Mechanical testing
subject: High-strength Al alloy
subject: Corrosion testing
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Die Automobilindustrie steht derzeit vor großen Herausforderungen. Im Zuge der Erlassung umfangreicher Umweltschutzbestimmungen für Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß von Personenkraftfahrzeugen, sowohl in Europa wie auch weltweit, muss das Gewicht zukünftiger Fahrzeuge deutlich vermindert werden. Eine Gewichtsreduzierung von Fahrzeugstrukturen kann durch die Substitution schwerer Werkstoffe durch leichtere und höher festere, sowie die Einführung neuer Design- und Fertigungskonzepte - oder idealerweise eine Kombination der beiden - erreicht werden. Hochlegierte Al-Zn-Legierungen sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Dichte im Vergleich zu herkömmlichen Al-Legierungen und Stahl vielversprechende Kandidaten für die Verwendung als leichter Strukturwerkstoff in der Automobilindustrie. Das Laserstrahlschweißen ist eine effiziente Methode zur Herstellung hochwertiger Schweißverbindungen und ist seit vielen Jahren in der Industrie etabliert. Al-Legierungen mit einem hohen Zinkgehalt bzw. mit einem hohen (Zn+Mg+Cu)-Gehalt gelten aufgrund der Bildung von schwerwiegenden Schweißfehlern im Allgemeinen als nur schwer schmelzschweißbar bzw. sogar unschweißbar. Derzeit gibt es keine Ansätze zur Lösung dieser Schweißbarkeitsprobleme, die letztendlich zu einer Missachtung dieser Legierung durch die Industrie führt. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Schweißbarkeitsprobleme dieser vielversprechenden hochlegierten Al-Zn-Legierungen zu lösen. Dazu war zunächst ein umfangreiches Verständnis über die theoretischen Grundlagen der Laserschweißbarkeit im Sinne von Materialeigenschaften und Prozessen während des Laserstrahlschweißens erforderlich. Somit konnten die Ursachen für typische Schweißprobleme ermittelt werden sowie die entscheidenden Einflussfaktoren identifiziert werden. Basierend auf diesem Wissen war es anschließend möglich, Lösungsansätze zur Verbesserung der Laserschweißbarkeit hochlegierter Al-Zn-Legierungen zu entwickeln. Der erste Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung eines geeigneten Schweißzusatzes - nämlich Vanadium - zusätzlich zum für Al-Zn-Legierungen empfohlenen konventionellen Zusatzdraht. Die Verwendung von Vanadium ermöglicht die Beeinflussung der Materialeigenschaften der Schmelze. Dieser erste Ansatz ist geeignet für verschiedene Laserschweißsysteme. Der zweite Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung eines Hochleistungs-Faserlasers mit großem Strahldurchmesser sowie hoher Strahlqualität. Hierbei wird der Laserschweißprozess selbst beeinflusst. Der zweite Ansatz erfordert keinen besonderen Schweißzusatzwerkstoff. Die Leistungsfähigkeit beider Ansätze wurde durch ihre Anwendung an verschiedene hochlegierte Al-Zn-Legierungen überprüft. Die Beurteilung der resultierenden Schweißnahteigenschaften erlaubte schließlich eine Bewertung der Tauglichkeit für industrielle Anwendungen. Hierbei zeichnete sich insbesondere der zweite Lösungsansatz durch seine Vielseitigkeit und Tauglichkeit für eine Großproduktion aus.
description: The automotive industry is currently facing major challenges. In the course of the enacting of comprehensive environmental regulations for the fuel consumption and CO2 emission of passenger vehicles in Europe and the world, the weight of future vehicles need to be considerably reduced. A weight reduction for automotive structures can be achieved by the substitution of heavy materials by lighter and stronger materials, the implementation of new designs and manufacturing technologies or ideally by a combination of both. High-alloyed Al-Zn alloys are promising candidates for the use as structural light-weight materials for the automotive industry. This is mainly due to their very high strength-todensity ratio in comparison to conventionally used steels and aluminium alloys. Laser beam welding is an efficient method for producing joints with high weld quality and is established in the industry since many years. However, it is well known that aluminium alloys with a high Zn content or, more precisely, with a high Zn+Mg+Cu content are hard to fusion weld or even unweldable due to the formation of severe weld discontinuities. And currently, there is a lack of approaches for solving these weldability problems, which finally results in a disregard of these alloys by the automotive industry. The present thesis aims at solving the laser weldability problems of these high-alloyed Al-Zn alloys. For this purpose a deep understanding of the theoretical fundamentals of laser weldability in terms of material properties and processes during laser beam welding was mandatory. By this means, typical reasons for weldability problems were derived and crucial influencing factors were identified. Based on the knowledge obtained, it was possible to develop two approaches for improving the laser weldability of high-alloyed Al-Zn alloys. The first approach implies the use of an appropriate filler material - namely vanadium - additional to the conventional filler wire recommended for welding Al-Zn alloys. In this regard, vanadium enables the manipulation of the material properties of the weld metal. This first approach is feasible for different laser systems used for welding. The second approach implies the use of a high-power fibre laser with a large beam diameter and a high beam quality. Here, the laser beam welding process itself is manipulated. This approach does not necessarily require a certain filler material. The effectiveness of both developed approaches was verified by their application to diverse high-alloyed Al-Zn alloys. The assessment of the resulting weld properties finally also allowed assessing the capability of the approaches for industrial applications. Here, the second approach excels in its versatility and capability for large-scale productions.