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Eine Maschine mit vielen Talenten

Der Schweiß- und Umformsimulator "Gleeble 3800" eröffnet seit seiner Anschaffung der Professur Schweißtechnik an der TU Chemnitz neue Möglichkeiten für die Forschung

Anlässlich der Berufung von Prof. Dr. Peter Mayr als Leiter der Professur Schweißtechnik am Institut für Füge- und Montagetechnik der TU Chemnitz wurde mittels Antrag für Forschungsgroßgeräte die "Gleeble 3800" beschafft, eine leistungsstarke thermomechanische Prüfmaschine mit speziellem Fokus auf die Belange der Schweißtechnik. Mit der Hilfe des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst anteilig finanzierten Großgeräts können nun gezielt thermische und mechanische Belastungen eines Bauteils während des Schweißvorgangs auf eine Probe übertragen und so deren Verhalten von Wissenschaftlern der Professur untersucht werden. Zur Prüfung eignen sich metallische Werkstoffe von sämtlichen Stählen über Leichtmetalle bis hin zu Sonderlegierungen.

Die Prüfmaschine zeichnet sich durch ein integriertes hydraulisches Servo-System aus, mit dem bei einer maximalen Verfahrensgeschwindigkeit von 2.000 Millimeter pro Sekunde bis zu 200 Kilonewton statische Drucklast und bis zu 100 Kilonewton Zugbelastung aufgebracht werden können. Daneben ist sie in der Lage, Proben auch wechselnden Belastungen auszusetzen. Damit lässt sich unter anderem eine Werkstoffermüdung simulieren. Ihre hermetisch dichte Probenkammer erlaubt Versuche sowohl im Vakuum als auch in inerten und definierten Atmosphären. Das Heizsystem der Gleeble ermöglicht durch Widerstandserwärmung die Realisierung von höchsten Aufheizraten bis zu 10.000 Kelvin pro Sekunde. "Das eröffnet wiederum die Möglichkeit verschiedene Temperatur-Zeit-Verläufe von hochdynamischen Schweißprozessen genau gesteuert auf Proben zu übertragen und diese im Anschluss einer mechanischen Prüfung bei Raum- und erhöhter Temperatur bis hin zum Schmelzpunkt des Werkstoffs zu unterziehen", erläutert Prof. Mayr. Maschineneigene Luft- und Wasserabkühlsysteme erreichen Standardabkühl- bis hin zu höchsten Abschreckraten von 2.000 Kelvin pro Sekunde an der Oberfläche der Probe. Die Gleeble verfügt weiterhin über eine umfangreiche Ausstattung mit Messsystemen und Sensorik, die eine genaue Aufzeichnung von Messgrößen für die wissenschaftliche Auswertung ermöglicht.

Ein hervorzuhebendes Charakteristikum der Maschine bildet aus Sicht der Schweißtechniker die Tatsache, dass Proben gezielt aufgeschmolzen und im Anschluss ebenso gezielt und gesteuert wieder erstarrt werden können. Dadurch lassen sich die Schmelz- und Erstarrungsvorgänge während der Schweißarbeit an definierten Probengeometrien genauestens studieren. Darüber hinaus können mit dem beschriebenen System unterschiedliche thermo-mechanische Materialprüfungen an unterschiedlichen Probengeometrien vorgenommen werden. Das schließt die Ermittlung der mechanisch technologischen Eigenschaften aus Zug- oder Druckversuchen, die Berechnung von ZTU-Diagrammen und die Erstellung von Fließkurven ein.

Variable Einsatzmöglichkeiten unterstützen Forschungsvorhaben

Die Professur Schweißtechnik will diese variablen Einsatzmöglichkeiten perspektivisch in diverse Forschungsprojekte einbinden. Im Bereich der mechanischen Fügetechnik soll die Gleeble unter anderem zur Bestimmung von notwendigen Werkstoffkennwerten für Fügesimulationen zum Einsatz kommen. In aktuellen Projekten der Chemnitzer Nachwuchsforschergruppe "Großserienfähige Verbindungstechniken für Multimaterialsysteme in gewichtsoptimierten Elektrofahrzeugen" und in zukünftigen DFG-Projekten zum Thema mechanisches Umformen neuer Werkstoffkombinationen werden innerhalb der FEM-Simulationen sogenannte Fließkurven benötigt, die nun mit Hilfe des Gleeble-Systems durch thermo-mechanische Umformprozesse zuverlässig ermittelt werden können. Im Rahmen des Chemnitzer DFG-Sonderforschungsprojekts SFB 692 sollen außerdem mit Hilfe der Maschine auftretende Diffusionsvorgänge im Diffusionsschweißprozess zeitlich abgebildet werden, um die Entwicklung der Mikrostruktur und Ausbildung intermetallischer Phasen während des Fügungsvorgangs eingehend zu untersuchen. Weiterhin wird perspektivisch die Durchführung von Diffusionsschweißprozessen an hochschmelzenden Werkstoffpaarungen angestrebt.

Auf dem Gebiet der Schweißzusatzentwicklung soll die Gleeble auch innerhalb geförderter Industrieprojekte zum Einsatz kommen. Durch die Möglichkeit der thermophysikalischen Simulation von Schweißprozessen wird der Einfluss der Spitzentemperaturen auf die Schweißnaht und insbesondere auf die Wärmeeinflusszone untersucht. In diesem Zusammenhang können unter Minimierung des experimentellen Aufwands, also der Kosten-, Zeit- und Materialeffizienz, realitätsnahe Schweißnahtgefüge erzeugt werden. Diese spielen insbesondere in der Entwicklung von Schweißzusatzwerkstoffen eine tragende Rolle. „Mit dem thermo-mechanischen Schweiß- und Umformsimulator Gleeble 3800 hat die Professur Schweißtechnik von nun an eine der modernsten und äußerst vielfältig einsetzbaren Maschinen zur thermo-physikalischen Simulation von Schweiß- und mechanischen Fügeprozessen zur Verfügung“, freut sich Prof. Mayr und hofft mit der Unterstützung der neuen Anschaffung auf zahlreiche neue Forschungserkenntnisse.

(Autor: Andy Schäfer)

Mario Steinebach
26.08.2015

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