Endlich: AA 7075 schweißbar dank Nanomaterialien

28. Januar 2019, 13:00 Uhr
Schweißnaht bei Aluminium-Legierung 7075 erzeugt mit Schweißdraht aus AA 7075 und Titancarbid-Nanopartikeln. Bild: Oszie Tarula/UCLA
Schweißnaht bei Aluminium-Legierung 7075 erzeugt mit Schweißdraht aus AA 7075 und Titancarbid-Nanopartikeln. Bild: Oszie Tarula/UCLA
Eine schon seit den 1940er Jahren bekannte Aluminiumlegierung wäre eigentlich ideal für den Automobilbau, denn AA 7075 (Aluminum Alloy) ist fast so fest aber nur ein Drittel so schwer ist wie Stahl, doch leider ist das Schweißen dieses Materials etwa bei Karosserie- oder Motorteilen fast unmöglich. Bis jetzt…
 
Der Grund für das Schweißproblem ist, dass beim Erhitzen der Legierung während des Schweißens ihre molekulare Struktur zu einem ungleichmäßigen Fluss ihrer Bestandteile (Aluminium, Zink, Magnesium und Kupfer) und damit Rissen entlang der Schweißnaht führt.
Jetzt haben die Ingenieure der Samueli School of Engineering an der UCLA (University of California, Los Angeles) ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sehr gute Festigkeiten der Schweißnähte erreicht werden können. Die Lösung bestand darin, in den aus AA 7075 bestehenden Schweißdraht winzige Titancarbid-Nanopartikel-Partikel mit Durchmessern im µm-Bereich einzubringen. 

Ergebnisse

Mit dem verbesserten Schweißdraht ließen sich Schweißverbindungen mit einer Zugfestigkeit von bis zu 392 Megapascal. Zum Vergleich: Das im Fahrzeug- und Flugzeugbau häufig verwendete und deutlich weniger feste Material AA 6061 erreicht ein Zugfestigkeit von nur 186 Megapascal in Schweißverbindungen. Laut den Forschern kann darüber hinaus eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Schweißen die Zugfestigkeit von AA-7075-Schweißnähten auf bis zu 551 Megapascal erhöhen, womit das neue Verfahren bei deutlich geringerem Gewicht mit Stahl vergleichbare Festigkeiten erreicht.
 
Von Links nach rechts: Student Maximilian Sokoluk, Mechaniker Travis Widick (mit Fahrrad-Rahmen aus AA 7075) und Professor Xiaochun Li. Bild: Kenny Stadelmann/UCLA

Da AA 7075 sehr fest und leicht zugleich ist, ist es ideal zum Bau von Fahr- und Flugzeugen und kann deren Treibstoffeffizienz deutlich erhöhen. Schon jetzt wurde AA 7075 oft bei Flugzeugrümpfen und -flügeln verwendet wird, bei denen das Material durch Schrauben oder Nieten statt durch Schweißen verbunden wird. Auch bei Smartphone-Rahmen und Kletter-Karabinerhaken kam es schon zum Einsatz. Die Probleme beim Schweißen haben allerdings besonders beim Automobilbau eine breite Anwendung verhindert.

Fahrzeuge

Dank der neuen Schweißtechnik könnte sich nun auch eine breite Anwendung dieser hochfesten Aluminiumlegierung in Massenprodukten wie Autos oder Fahrrädern ergeben. In der Herstellung sind dabei so gut wie keine Umstellungen notwendig, um die hochfeste und leichte Aluminiumlegierung in die Fertigung zu integrieren. Es lassen sich mit AA 7075 dann leichtere und zugleich stabilere Produkte realisieren.
Wie im Bild oben zu sehen, gibt es bereits eine Kooperation mit einem Fahrradhersteller, der zu einem Prototypen- Fahrradrahmen auf der Basis von AA 7075 geführt hat. Außerdem weisen ersten Studien darauf hin, dass der Zusatz von Nanopartikeln bei Schweißdrähten auf bei anderen schwer schweißbaren Metallen und Legierungen zu stabileren Schweißnähten führt.
 
Quelle: http://newsroom.ucla.edu/releases/nanotechnology-welding-strong-aluminum-alloy-AA-7075
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