20/11/2019
Door Ad Spijkers
Een aluminium bout en een staalplaat kunnen met elkaar worden verbonden door ze materiaalgebonden op elkaar te persen. De verbinding is zo stabiel dat de plaat vervolgens kan worden diepgetrokken.
Dit zijn de resultaten van het fundamentele onderzoeksproject "Verbundhybridschmieden", dat gezamenlijk wordt uitgevoerd door wetenschappers van het Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) en het Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) van de TU Clausthal.
Stuikproces
Het alternatief voor lassen zorgt voor een materiaalgebonden verbinding tussen verschillende metalen. In het project plaatsten de onderzoekers een aluminiumbout en een staalplaat in de smeedpers en stuikten de aluminiumbout licht. Tijdens dit vormproces maakt de bout een stevige verbinding met de staalplaat.
De wetenschappers het stabiele vormverbindingsproces bij een temperatuur van 350°C, een perskracht van 1500 kN, een vormsnelheid van 26,6 mm/s en een stuikpad van ten minste 9 mm. Hoe langer het compressiepad, des te beter is de cohesie. De aluminium bout mag echter niet te sterk worden vervormd, opdat niet ook de plaat wordt vervormd. Een lage vormingssnelheid is gunstig omdat de diffusieprocessen dan beter kunnen verlopen en de moleculen tijd hebben om te verbinden. Het hangt ook af van de geometrie van de aluminium bout: deze mag niet taps of afgerond zijn, maar plat zodat deze zo groot mogelijk op de plaat rust.
Zink als verbindingsmateriaal
Om een sterke materiaalgebonden verbinding tot stand te brengen, is het belangrijk om direct contact tussen aluminium en staal te vermijden. Wanneer deze twee metalen zich met elkaar vermengen ontstaan brosse intermetallische fasen. De onderzoekers hebben daarom zink als soldeermateriaal gebruikt. De stalen plaat en de aluminium bout zijn eerst gegalvaniseerd, omdat zink een samenhangende binding vormt met zowel aluminium als staal, zonder brosse fasen te veroorzaken. Door de persdruk tijdens het smeden komen de zinklagen in contact, combineren de moleculen en ontstaat een samenhangende, dragende verbinding.
De optimale temperatuur voor het vormvoegproces is 350°C. Bij deze temperatuur kan het aluminium goed worden gevormd en is het zink nog niet gesmolten. De onderzoekers bereikten optimale resultaten door zowel de aluminiumbout als de staalplaat tot deze temperatuur te verwarmen alvorens ze te vormen.
De cohesieve verbinding die tijdens het vormen wordt gecreëerd, is bestand tegen belastingen tot 2,1 kN en is daarom net zo stabiel als een lasverbinding. Ook in een volgende vormbewerking – de plaat werd diepgetrokken - hield de verbinding.