Das Magnetpulsschweißen ermöglicht das stoffschlüssige Fügen verschiedenartiger Metalle, wobei die intermetallische Phasenbildung im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzschweißverfahren deutlich reduziert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Entwicklung eines neuartigen optischen Messsystems, welches sich zum Bestimmen der axialen und radialen Kollisionsgeschwindigkeit eignet und die Berechnung des Kollisionswinkels ermöglicht. Es wertet das charakteristische Prozessleuchten aus, das bei der Fügepartnerkollision während dieses Pressschweißverfahrens entsteht. Experimente in Vakuumatmosphäre belegen, dass die Temperatur im Fügespalt bei kleinen Kollisionswinkeln deutlich über den Siedetemperaturen der beteiligten Werkstoffe liegen kann. Die aus dem Fügespalt strömende heiße Partikelwolke schmilzt die Fügepartneroberflächen an, bevor diese aufeinander treffen, sich stoffschlüssig verbinden und schließlich rasch abkühlen. Metallografische Analysen belegen die angeschmolzenen Bereiche in der Fügeverbindung und bilden den Ausgangspunkt für ein numerisches Modell, welches das Aufheiz- und Abkühlverhalten der Oberflächen abschätzt. Das patentierte Messsystem hilft außerdem bei der Prozesseinstellung und -überwachung mit möglichst geringer Impaktgeschwindigkeit, wobei der Einfluss verschiedener anlagenbedingter und geometrischer Faktoren untersucht wird. Der Wärmeeintrag in die Verbindungszone kann außerdem durch exotherm reagierende Zwischenschichten erhöht und dadurch die benötigte Impaktgeschwindigkeit reduziert werden. Die genannten Maßnahmen tragen dazu bei, die thermischen und mechanischen Belastungen auf die Werkzeugspulen zu reduzieren und damit ihre Lebensdauer zu erhöhen.:1 Einleitung 2 Stand der Kenntnisse beim Magnetpulsschweißen 2.1 Verfahrenseigenschaften und Anwendungsgebiete 2.2 Wirkprinzip und Einflussgrößen beim elektromagnetischen Umformen 2.3 Theorien zum Fügemechanismus beim Kollisionsschweißen 2.4 Erscheinungsbild und Eigenschaften der Verbindungszone 2.5 Messtechnisches Erfassen von Prozessparametern 2.6 Strategien für eine höhere Prozesseffizienz 2.7 Zwischenfazit zu Kapitel 2 3 Zielsetzung 4 Versuchsaufbau und Bewerten des Schweißvorgangs 4.1 Versuchsaufbau 4.2 Bewerten des Energieeinsatzes 4.3 Bewerten des Schweißergebnisses 4.4 Zwischenfazit zu Kapitel 4 5 Erfassen der kinetischen Kollisionsparameter 5.1 Entwickeln eines Messsystems zum Erfassen des Impaktblitzes 5.2 Numerisches Modell zum Bestimmen der Kollisionsparameter 5.3 Experimentelles Bestimmen der Impaktgeschwindigkeit 5.4 Experimentelles Bestimmen der Kollisionspunktgeschwindigkeit 5.5 Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Blitzauswertung 5.6 Zwischenfazit zu Kapitel 5 6 Experimentelle Analyse der Partikelwolkeneigenschaften 6.1 Einfluss der Kollisionsbedingungen auf die Temperatur der Partikelwolke 6.2 Charakterisieren der Partikelwolke 6.3 Zwischenfazit zu Kapitel 6 7 Schweißmodell 7.1 Unterscheidung von Schweißmechanismen 7.2 Zwischenfazit zu den experimentellen Ergebnissen 7.3 Metallurgische Effekte 7.4 Aufbau des temperaturbasierten Schweißmodells 7.5 Einfluss der thermischen und kinetischen Prozessbedingungen 7.6 Zwischenfazit zu den numerischen Ergebnissen 7.7 Wellenbildung 7.8 Zwischenfazit zu Kapitel 7 8 Einstellen der kinetischen Kollisionsparameter 8.1 Frequenzeinfluss 8.2 Wandstärkeeinfluss 8.3 Fügespalt- und Wirklängeneinfluss 8.4 Prozessrobustheit bei geometrischen Abweichungen 8.5 Experimentelle Hinweise zum Ermitteln des Schweißfensters 8.6 Zwischenfazit zu Kapitel 8 9 Exotherm reagierende Zwischenschichten 10 Zusammenfassung / Magnetic Pulse Welding is a pressure welding process that enables material joints between dissimilar metals. Compared to conventional fusion welding processes, the intermetallic phase formation can be minimized to an uncritical minimum due to the reduced and localized heat input. Although the process is already applied in industrial production for hybrid parts, the underlying principle of the bond formation is not yet completely explored. One of the main reasons for this is the difficulty in process monitoring, which also hinders process adjustment or the targeted support of the joining mechanism. Both aspects are of great importance for an efficient welding process and increased life-times of the tool coils. In the present thesis, a new optical measurement system has been developed to get insights into the kinetic conditions during collision welding processes. It evaluates the characteristic flash that occurs during the high-speed collision of the joining partners above a certain impact velocity. Furthermore, the second velocity component of the collision front in axial direction can be measured, which enables the calculation of the collision angle. Experiments in vacuum atmosphere reveal for small collision angles, that the temperatures in the joining gap can exceed the vaporization temperatures of the involved materials. Since the ejected cloud of particles is very hot, the surfaces of the parts are melted before they are pressed together. Afterwards, the bond is formed and the joining zone is cooled down rapidly. Metallographic analysis evidenced melted regions in the joining zone, which serve as an input variable for the numerical model. This model predicts the heating and cooling behavior of the surfaces and shows for large collision angles, that the surfaces are already solidified before they come into contact. This fact inhibits the identified welding mechanism based on fusion. The patented measurement device helps studying the influence of certain machine-related and geometrical parameters during the process adjustment with low impact velocities and serves as a quality assurance system. Furthermore, exothermic reactive interlayers can increase the heat input in the joining zone and thus, decrease the minimum impact velocities. These strategies may contribute to a significant reduction of thermal and mechanical shock loading of the tool coils to increase their life-time.:1 Einleitung 2 Stand der Kenntnisse beim Magnetpulsschweißen 2.1 Verfahrenseigenschaften und Anwendungsgebiete 2.2 Wirkprinzip und Einflussgrößen beim elektromagnetischen Umformen 2.3 Theorien zum Fügemechanismus beim Kollisionsschweißen 2.4 Erscheinungsbild und Eigenschaften der Verbindungszone 2.5 Messtechnisches Erfassen von Prozessparametern 2.6 Strategien für eine höhere Prozesseffizienz 2.7 Zwischenfazit zu Kapitel 2 3 Zielsetzung 4 Versuchsaufbau und Bewerten des Schweißvorgangs 4.1 Versuchsaufbau 4.2 Bewerten des Energieeinsatzes 4.3 Bewerten des Schweißergebnisses 4.4 Zwischenfazit zu Kapitel 4 5 Erfassen der kinetischen Kollisionsparameter 5.1 Entwickeln eines Messsystems zum Erfassen des Impaktblitzes 5.2 Numerisches Modell zum Bestimmen der Kollisionsparameter 5.3 Experimentelles Bestimmen der Impaktgeschwindigkeit 5.4 Experimentelles Bestimmen der Kollisionspunktgeschwindigkeit 5.5 Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Blitzauswertung 5.6 Zwischenfazit zu Kapitel 5 6 Experimentelle Analyse der Partikelwolkeneigenschaften 6.1 Einfluss der Kollisionsbedingungen auf die Temperatur der Partikelwolke 6.2 Charakterisieren der Partikelwolke 6.3 Zwischenfazit zu Kapitel 6 7 Schweißmodell 7.1 Unterscheidung von Schweißmechanismen 7.2 Zwischenfazit zu den experimentellen Ergebnissen 7.3 Metallurgische Effekte 7.4 Aufbau des temperaturbasierten Schweißmodells 7.5 Einfluss der thermischen und kinetischen Prozessbedingungen 7.6 Zwischenfazit zu den numerischen Ergebnissen 7.7 Wellenbildung 7.8 Zwischenfazit zu Kapitel 7 8 Einstellen der kinetischen Kollisionsparameter 8.1 Frequenzeinfluss 8.2 Wandstärkeeinfluss 8.3 Fügespalt- und Wirklängeneinfluss 8.4 Prozessrobustheit bei geometrischen Abweichungen 8.5 Experimentelle Hinweise zum Ermitteln des Schweißfensters 8.6 Zwischenfazit zu Kapitel 8 9 Exotherm reagierende Zwischenschichten 10 Zusammenfassung

Ziel der Dissertation ist die ebenso valide wie effiziente Vorhersage der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung beim Thermit-Schweißen. Dazu werden reduzierte Modelle vorgestellt, darunter ein niederdimensionales Modell des Schienenstegs und dreidimensionale Modelle des Gießsystems für das Schweißverfahren. Mit dem niederdimensionalen Modell werden mittels Parameterschätzung unbekannte Randbedingungen der Vorwärmung des Gießsystems ermittelt sowie mittels Sensitivitätsanalyse systematisch Einflüsse auf die Schmelz- und die Wärmeeinflusszone untersucht. Durch den systematischen Vergleich der vorgestellten Modelle werden Gültigkeitsgrenzen der Modelle gezielt auf die Modellreduktionen zurückgeführt und über die Modelle hinausgehende Aspekte für die Beschreibung des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens identifiziert. Dabei wird die Validität der Modelle anhand von experimentellen Daten der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone im Schienenlängsschnitt untersucht. / This dissertation aims at providing a valid and efficient prediction of the melting zone and heat-affected zone of thermite welds. For this purpose, reduced models are presented, including a low-dimensional model of the rail web and three-dimensional models of the casting system for the welding process. With the low-dimensional model, unknown boundary conditions of the preheating of the casting system are determined by means of parameter estimation and influences on the melting zone and the heat-affected zone are systematically examined by means of a sensitivity analysis. By a systematic comparison of the models presented, the validity limits of the models are specifically traced back to the model reductions and aspects beyond these models for the description of the melting and solidification behavior are identified. The validity of the models is examined on the basis of experimental data from the melting zone and the heat-affected zone in the longitudinal section of the rails.