Leseprobe_300356

DVSMediaGmbH

39. Assistentenseminar

Füge- und Schweißtechnik

Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung

in Eupen vom 12. bis 14. September 2018

Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik,

RWTH Aachen

Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb,

Technische Universität Berlin

Institut für Füge- und Schweißtechnik,

Technische Universität Braunschweig

Institut für Füge- und Montagetechnik,

Technische Universität Chemnitz

Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren,

Technische Universität Clausthal

Institut für Fertigungstechnik,

Technische Universität Dresden

Institut für Werkstoff- und Fügetechnik,

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Das Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt. Das

39. Assistentenseminar wurde vom Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen

veranstaltet.

DVS-Berichte Band 356

ISBN 978-3-96144-070-2

Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.

Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung jeglicher Art

dieses Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.

© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2019

Herstellung: Griebsch & Rochol Druck, Hamm


Vorwort

Zum 39. Assistentenseminar lud die Wissenschaftliche Gesellschaft Fügetechnik (WGF) e.V. im DVS die

schweißtechnischen Institute Deutschlands ein. Die Organisation wurde in diesem Jahr durch das Institut

für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen durchgeführt. An der Veranstaltung

nahmen folgende Institute teil:

− Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen,

− Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin,

− Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig,

− Institut für Füge- und Montagetechnik der TU Chemnitz,

− Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal,

− Institut für Fertigungstechnik, Technische Universität Dresden,

− Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Das Assistentenseminar fand vom 12. bis 14. September 2018 in Eupen (B) statt und hatte

34 Teilnehmer. Diese jährliche Veranstaltung bietet den jungen Wissenschaftlern der schweißtechnischen

Institute eine sehr gute Gelegenheit für den fachlichen Dialog mit den Kollegen,

Oberassistenten und Professoren. In den 20 Fachvorträgen aus den Themengebieten

Metallschutzgasschweißen, strahltechnischen Fügeverfahren, Simulation, Widerstandsschweißen,

Fügen durch Löten sowie schweißmetallurgische Fragestellungen konnten die Teilnehmer ihre aktuellen

Forschungsergebnisse präsentieren und zur Diskussion stellen.

Über das fachliche Rahmenprogramm der Veranstaltung hinaus konnten sich die Teilnehmer am ersten

Abend bei in einer gemütlichen Runde im Klosterkeller des Seminar Center Kloster Heidberg

austauschen. Am Nachmittag des zweiten Veranstaltungstages fand für alle Teilnehmer ein Team-Event

statt, welches aus einem Kart-Rennen bestand. Im Wettkampf in Teams zu je 2 Personen ging es vor

allem um Geschicklichkeit und Teamwork über die Institutsgrenzen hinweg. Das abendliche Essen und

Beisammensein im Kloster Heidberg regte zur Fortführung fachlicher Diskussionen sowie zur

Intensivierung der Kommunikation unter den Nachwuchswissenschaftlern an.

Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen


Vortragsabfolge

AUTOR TITEL SEITE

A. Zvorykina

M. Wohner

S. Brechelt

V. Schnieder

T. Ungethüm

F. Müller

F. Spranger

L. Sous

A.-C. Hesse

F. Akyel

Elementschweißen mittels Widerstandspunktschweißen am

Beispiel von Stahl-Aluminium-Verbindungen

Beurteilung von Schweißbereichen auf Basis einer

Prozessdatenanalyse beim Widerstandspunktschweißen

Vorimpulsnutzung beim Widerstandspunktschweißen von

mehrschnittigen Verbindungen unter zusätzlicher Nutzung

von Klebstoffen

Additive Fertigung von Nickel-Titan-Legierungen aus den

Elementpulvern mittels LPA

Entwicklung eines WIG-Heißdrahtprozesses für die drahtund

lichtbogenbasierte additive Fertigung

Reibschweißverbinder – Prozesskennwertermittlung eines

punktreibschweißverwandten Fügeverfahrens für

Aluminium-Litzen

Vergleichende Untersuchungen zur Erstellung

mikrostrukturierter Werkzeugoberflächen mittels

Laserimplantation an Kalt- und Warmarbeitsstählen

Erfassung und Übertragung von Schweißprozessdaten beim

MSG-Schweißen mit kostengünstiger Elektronik

Einfluss ausgewählter Unregelmäßigkeiten nach DIN EN ISO

13919-1 auf die Schwingfestigkeit von

Strahlschweißverbindungen

Simulation einer äquivalenten Wärmequelle und

Struktursimulation eines EB geschweißten Bauteils

1

8

18

27

34

43

51

60

69

78

P. Thieme Durchsetzfügen mit Zwischenschicht 87

M. Köhler

Prozesscharakteristiken bei der lichtbogenbasierten

generativen Fertigung metallischer Komponenten

96


T. Gehling

T. Bick

M. Dieckmann

Y. Kouki

T. Adams

E. Javaheri

Gezielte Einflussnahme auf die Schweißnahtfestigkeit

hochfester Feinkornbaustähle durch den Einsatz

beschichteter MSG-Schweißdrahtelektroden

Charakterisierung der Verbindungseigenschaften hybrid

verbundgeschmiedeter Stahl Aluminium

Mischverbindungen in Abhängigkeit der

Zinkschichtzusammensetzungen

Methode zur Bestimmung der Empfindlichkeit von

beschichteten hochfesten Stahlblechen bezüglich LME

Inverse calculation of the interfacial heat transfer

coefficient for a heat conduction problem

Eigenschaftsverbesserung von Schweißnähten durch Inline-

Warmumformung

Instrumented indentation technique and its application for

the determination of local material properties of welded

steel structures

103

113

121

130

138

146

G. Reschke Schraubenverbindungen im Unterwasserbereich 153

J. Vinz

Numerische Untersuchung der Kraftaufbringung beim

Kondensatorentladungsschweißen

160

Autorenverzeichnis ........................................................................................................................ 171


Widerstandspunktschweißen mittels Fügeelementen am Beispiel

von Stahl-Aluminium-Verbindungen

A. Zvorykina, S. Jüttner, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-Universität

Magdeburg, Deutschland

Im Maschinenbau geht das Bestreben vor dem Hintergrund der Ressourceneinsparung dahin, leichtere

und kompaktere Bauteile mit höherer Leistungsfähigkeit zu entwickeln. Daher ist die Reduzierung des

Fahrzeuggewichts besonders wichtig, wobei die Kombination verschiedener Materialkombinationen eine

Vielzahl von Karosseriestrukturen ermöglicht und einen Materialmix aus Aluminium- und Stahlwerkstoffen

aus Leichtbausicht im Mittelpunkt des Interesses steht. Kombinationen aus höchstfestem Stahl und

Aluminium finden sich oft in Flanschverbindungen und die Schweißpunkte werden oft mit Klebstoff

verstärkt. Beim Fügen dieser Verbindungen gibt es jedoch einige Probleme zu lösen, was dazu führt, dass

die bisher eingesetzte Anlagentechnik an ihre Grenzen geführt wird. Dementsprechend besteht nach wie

vor der Bedarf nach neuen angepassten Fügetechnologien.

In diesem Artikel wird eine neuartige Fügetechnologie zum Verbinden von hochfestem Stahl mit Aluminium

vorgestellt, basierend auf einem zweistufigen Widerstandspunktschweißprozess mit zusätzlichen

Fügeelementen.

1 Einleitung

Heutzutage steht die Entwicklung von Leichtbaukonzepten unter Einsatz von Mischbauweisen im

Automobilbau im Vordergrund. Die Kombination unterschiedlichster Materialkombinationen ermöglicht

eine Vielzahl von Karosseriestrukturen, wobei die Mischung aus hochfestem Stahl und Aluminium

besonders interessant ist und ein hohes Leichtbaupotenzial bei geringeren Kosten als der reine

Aluminiumbauweise bietet. Aluminiumlegierungen werden zunehmend eingesetzt, insbesondere für

großflächige Außenhautteile. Hochfester Stahl ist für die Massenproduktion in der Automobilindustrie

kostengünstig und behält aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner hervorragenden

Verarbeitungseigenschaften weiterhin an Bedeutung [1, 2]. Unter anderem die Leichtbaukonzepte im

Anbauteilbereich wie Türen und Klappen werden in Zukunft zu einem verstärkten Einsatz unterschiedlicher

Werkstoffe in der Mischbauweise der gesamten Karosserie führen [3]. Durch den zunehmenden Einsatz

von hoch- und höchstfesten Stählen für Verstärkungsbauteile, z.B. in den in A- und B-Säulen und deren

Kombination mit Leichtmetallen, gewinnt das Fügen derartiger Strukturen an Bedeutung.

Aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften sind für das Fügen

von hochfestem Stahl mit Aluminium jedoch nur eingeschränkte Fügeverfahren geeignet. Eine

Besonderheit, die beim Schweißen solcher Verbindungen berücksichtigt werden muss, ist, dass nach dem

Zustandsschaubild Fe-Al in einem weiten Bereich harte und spröde intermetallische Verbindungen

auftreten. Infolgedessen sind die mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen eingeschränkt [4, 5].

Nach [6] sind diese Phasen üblicherweise eine Schwachstelle der Fügezone. Bei Wärmeeintrag kommt

es zur Bildung der Phasen FeAl 3 (aluminiumseitig) und Fe 2Al 5 (stahlseitig). Zunächst bildet sich bereits bei

Temperaturen oberhalb von 350 °C FeAl 3 in Form einer dichten Schicht in der Übergangszone. Bei

Temperaturen oberhalb 500 °C bildet sich Fe 2Al 5 in charakteristischer Stängelkristallform. Laut Literatur

[7] muss die Dicke der intermetallischen Phase weniger als zehn Mikrometer betragen, um eine

zuverlässige Schweißnaht mit guten mechanischen Eigenschaften, mit hohe Scherzugfestigkeit und hohe

Dauerfestigkeit zu gewährleisten.

2 Stand der Technik

Das Fügen der entsprechenden Mischbauweisen erfolgte bisher mit mechanischen Fügeverfahren wie

dem Halbhohlstanznieten oder Clinchen, die sich sowohl bei Aluminiumwerkstoffen als auch bei

unterschiedlichen Werkstoffkombinationen bewährt haben.

DVS 356 1


Allerdings können mechanische Fügeverfahren wie das Stanznieten, Nageln, Schrauben und Clinchen

bei höchstfesten, pressgehärteten Stählen sowie bei Werkstoffkombinationen mit einer Festigkeit von

mehr als 1000 MPa nicht mehr kostenattraktiv eingesetzt werden [8].

Der Einsatz von mechanischen Fügetechniken wie etwa Schraub-, Niet-, oder Bolzenverbindungen

schränken den Gestaltungsprozess ein und führen häufig zu überdimensionierten Schnittstellen, d.h.

Flanschlängen und eine damit verbundene Zunahme der Gesamtmasse und Kosten [9]. So ist

beispielsweise beim Nieten eine Mindestflanschlänge von 16 mm erforderlich, wodurch sich das Gewicht

der Fügeteile unnötig erhöht. Abbildung 1 zeigt den bisherigen Einsatz von mechanischen Fügeverfahren

bei der geometrisch entkoppelten Schnittstelle einer Stahl-Aluminium-Flanschverbindung im Audi TT.

Flanschverbindungen werden oft zusätzlich verklebt, um die Steifigkeit, die Crash- und Schwingfestigkeit

zu erhöhen und Geräusch und Vibrationen zu reduzieren. Da der Klebstoff thermisch ausgehärtet werden

muss, besteht die Gefahr, dass die Blechteile während der Aushärtung aufgrund der unterschiedlichen

Werkstoffeigenschaften des Materials zueinander verschoben werden [8, 10]. Aufgrund der

unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei dem KTL-Trocknungsprozesses sind die

Spannungen so hoch, dass die Klebverbindung während des Herstellungsprozesses beschädigt werden

kann.

Das Fügen von formgehärtetem Stahl mit Aluminiumblechen ist durch konventionelles

Widerstandspunktschweißen ohne zusätzliche Bearbeitung nicht möglich. Widerstandsschweißen (WES)

ist eine der Möglichkeiten, diese Werkstoffkombination zu verbinden. Das WES gehört zu den thermischmechanischen

Fügeverfahren und ermöglicht das Verbinden zweier ungleichartiger Werkstoffe. Der

Hauptunterschied zu konventionellem Widerstandspunktschweißen besteht im Einsatz eines nietförmigen

Elements. Das Element wird üblicherweise aus einem artgleichen Werkstoff wie das Basisblech gewählt,

um die schweißmetallurgische Verträglichkeit zu gewährleisten. Beim WES wird das Element zunächst in

das zu fügende Blech mechanisch eingeprägt und anschließend mithilfe konventioneller

Widerstandspunktschweißtechnik stoffschlüssig verbunden [11], siehe Abbildung 2.

Abbildung 1: Stahl-Aluminium-

Flanschverbindung an einer B-Säule, mit

eingetragener minimaler Flanschlänge - Lmin

Abbildung 2: Verfahrensablauf des WES [12]

Auch hier wird die Verbindungssteifigkeit der punktgeschweißten Verbindungen durch eine zusätzliche

Verklebung oft erhöht und der Schweißpunkt wird bei schwingender oder schlagartiger Beanspruchung

entlastet. Als Folge wird eine höhere Belastbarkeit als bei reinen Punktschweißverbindungen erreicht [13].

Die Besonderheit des Punktschweißklebens besteht darin, dass die Tragfähigkeit der Verbindungen mit

größeren Schweißpunkten sinkt, während beim klassischen Widerstandspunktschweißen das

Tragverhalten durch größere Schweißpunkte zunimmt. Ursache dafür ist, dass bei großen

Schweißpunkten die eingebrachte Schweißwärme größere Klebstoffmengen zersetzt.

Die aufgezeigten Fügeverfahren ermöglichen die Herstellung von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen,

stellen aber dennoch eigene, verfahrensbedingte Prozessherausforderungen dar. Diese sind zum Beispiel

Schwierigkeiten beim Einprägen eines Elements, Korrosionsanfälligkeit beim Einsatz im Nassbereich,

unerwünschte Härtegradienten in der Wärmeeinflusszone sowie ein erhöhter Wärmeeintrag, welcher die

Zersetzung des Klebstoffes zur Folge hat. Da die existierenden Fügeverfahren zunehmend an ihre

Grenzen kommen und aufgrund der steigenden Zahl von Mischverbindungen zwischen höchstfesten

Stahlgüten und Aluminiumwerkstoffen, wurde eine neue fügetechnische Lösung auf Basis des

Widerstandsschweißens entwickelt.

2 DVS 356


3 Eine neuartige Technologie basierend auf Widerstandspunktschweißen

Die neuartige Technologie mit einem zusätzlichen Fügeelementeinsatz besteht aus einem zweistufigen

Widerstandsschweißprozess. Der Ablauf des Verfahrens kann der Abbildung 3 entnommen werden. In

der ersten Prozessstufe wird ein Drahtelement z.B. aus Stahl auf das Aluminiumblech appliziert.

Abbildung 3: Verfahrensablauf der neuen Widerstandschweißtechnologie

Der so vorbereitete Verbund wird anschließend mit einem pressgehärteten Stahlblech in einer zweiten

Prozessstufe widerstandspunktgeschweißt. Die drahtförmigen Elemente ermöglichen eine kleinere

Kontaktfläche beim Schweißen, bei der durch Anpassung der Schweißparameter, spezielle der

Verkürzung der Schweißzeit weniger Wärme in die Fügeverbindung eingebracht wird. Die neuentwickelte

Technologie ist speziell zur Herstellung von Verbindungen aus ultrahochfestem Stahl 22MnB5 mit

Aluminiumblechen z.B. AW 6016 geeignet. Dabei ist der Wärmeeintrag begrenzt und die Fügestelle

geometrisch so gestaltet, dass sie für kurze Flansche und in Kombination mit Klebstoff angewendet

werden kann. Gleichzeitig basiert die Technologie auf bestehender Anlagentechnik zum

Widerstandsschweißen.

Zunächst wurde für besseres Verständnis der Technologie, die Einfluss- und Zielgrößen bestimmt. Dabei

spielen die verwendeten Zusatzwerkstoffe eine wichtige Rolle für den Prozess, denn durch sie können

zahlreiche unterschiedliche Verbindungseigenschaften erreicht und beeinflusst werden. Neben der

Werkstoffgüte hat die Geometrie, d.h. die Länge und der Durchmesser der Drahtelemente, ebenso

Einfluss auf die Fügeverbindung. Durch die Reduzierung des Querschnitts der Drahtelemente ist es

möglich, das verbleibende Spaltmaß zwischen Stahl und Aluminium zu beeinflussen aber auch die Länge

des Flansches zu minimieren.

Da es sich um einen zweistufigen Widerstandsschweißprozess handelt, müssen für beide Prozessstufen

die Schweißparameter Elektrodenkraft, Schweißstrom und Schweißzeit angepasst werden. Zu den

Zielgrößen gehört unter anderem das verbleibende Spaltmaß zwischen Aluminium- und Stahlblech, was

durch die Geometrie des Drahtelementes als auch durch die Schweißparameter beeinflusst werden kann.

Die ertragbaren Scherzugkräfte sind ebenfalls durch Elementwerkstoff und -geometrie beeinflussbar,

insbesondere bei Verbindungen mit Klebstoff.

Tabelle 1: Kriterien für Bestimmung der Parameterfenster

Untere

Qualitätsgrenze:

Obere

Qualitätsgrenze:

Drahtelementapplikation

Gesamtverbindung

• Abscherfestigkeit • Scherzugfestigkeit

• Versagensverhalten

• Deformation des Elements

• Spritzerbildung

• Spritzerbildung

• Herausdrücken des DEs bzw.

Klebstoffes aus dem Spalt

Eine Schwierigkeit bei der Umsetzung der Technologie besteht darin, dass die Ermittlung der

Parameterfenster aufgrund fehlender Regeln und Vorschriften erschwert ist. Zunächst soll das

Parameterfenster für die erste Prozessstufe, die Applikation des Drahtelementes, ermittelt werden, unter

Berücksichtigung, dass das Drahtelement auf dem Aluminiumblech transportsicher halten muss und

gleichzeitig kaum deformiert werden darf. Danach kann das Parameterfenster für die Gesamtverbindung

ermittelt werden. Hier wird die Schweißzeit auf wenige Millisekunden begrenzt, um die Ausbindung von

DVS 356 3


intermetallischen Phasen zu vermindern. Die Qualitätskriterien der gängigen Regelwerke sind nicht

anwendbar, da eine Schweißlinse bei dem Kurzzeitschweißprozess nicht vorhanden ist und so der

Punktdurchmesser nicht gemessen werden kann. Der Tab. 1 sind die ausgewählten Kriterien für

Parameterfensterfindung zu entnehmen.

4 Experimentelle Untersuchungen

Als Versuchswerkstoffe wurden die aushärtbare Aluminiumlegierung AW 6016 T4 sowie ein

pressgehärteter Vergütungsstahl 22MnB5+AS150 verwendet. Beide Materialien lagen in einer

Blechstärke von 1,5 mm vor. Die Verbindung der Werkstoffe erfolgte über ein Fügeelement, weiter als

Drahtelement (DE) bezeichnet. Zum Einsatz kamen ein unlegierter sowie ein hochlegierter Draht, deren

Eigenschaften in [14, 15] beschrieben sind. W4Si1 (Werkstoffnr.: 1.5130) ist eine verkupferte

Massivdrahtelektrode für das WIG-Schweißen von unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen.

W19 9LSi ER308LSi (Werkstoffnr.: 1.4316) ist ein Schweißstab zum WIG-Schweißen von korrosions- und

hitzebeständigen Stählen. Die Drahtelemente hatten einen Durchmesser von 2,4 mm und wurden in kurze

Stücke von jeweils 10 mm Länge zugeschnitten. Für die Untersuchungen von zusätzlich geklebten

Verbindungen wurde der 1K-Epoxidharzklebstoff Betamate 1480 V203 (Fa. Dow Automotive) verwendet,

der serienmäßig in crashrelevanten Verbindungen genutzt wird. Die Verbindungsfestigkeit des Klebstoffes

wird erst durch das Aushärten im KTL-Prozess bei Temperaturen von 180°C und einer Reaktionszeit von

ca. 20 Minuten erzeugt [16].

Für die Schweißversuche wurde eine Widerstandsschweißanlage in Ständerbauweise mit einem 1 kHz

Mittelfrequenzinverter verwendet. Das Gesamtsystem ermöglicht durch eine neuentwickelte

Leistungseinheit das Schweißen im Bereich weniger Millisekunden bei gleichzeitig sehr hoher

Wärmestromdichte. Durch eine zusätzlich integrierte, magnetische Nachsetzeinheit wird außerdem ein

zeitgenaues Nachsetzen der beweglichen Elektrode begünstigt. Das System erreicht Schweißströme bis

30 kA sowie eine max. Elektrodenkraft von 10 kN. Die verwendeten Elektrodenkappen waren vom Typ C0

mit einem Durchmesser von 16 mm. Abbildung 4 zeigt den Versuchsaufbau für beide Prozessschritte.

Es wurden die Elektrodenkraft, Schweißstrom und Schweißzeit zur Applikation variiert. Für die

Bestimmung der passenden Parameter wurden zunächst Elektrodenkraft und Schweißzeit bestimmt.

a. b.

Abbildung 4: a. Versuchsaufbau bei Drahtelementapplikation und b. bei der Herstellung der Gesamtverbindung

Die Parametersätze sollten folgende Kriterium erfüllen: das Drahtelement muss auf dem Aluminiumblech

transportsicher halten und gleichzeitig darf es kaum deformiert werden. Dies wurde erreicht bei 2 kN und

9 ms für das hochlegierte Drahtelement sowie 2 kN und 10 ms für das unlegierte Drahtelement. Der

Schweißstrom wurde danach weiter variiert.

Abbildung 5 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein Aluminiumblech verschweißtes Drahtelement und der

äußerlich nicht sichtbaren Gesamtverbindung. Die Verbindung aus Drahtelement und Aluminiumblech

wird im Folgenden Fügestelle 1 genannt und ist auf der Abbildung 7 entsprechend markiert.

4 DVS 356


a. b.

Abbildung 5: Draufsicht auf a. ein Aluminiumblech verschweißtes Drahtelement; b. Gesamtverbindung

Um die Verbindung der applizierten Drahtelemente quantitativ zu bewerten und die endgültigen

Schweißstromwerte zu ermitteln, wurde ein Abscherversuch durchgeführt. Hier wurden die Drahtelemente

mithilfe eines massiven Gegenbleches bis zur Abscherung belastet. Die maximal erreichten Scherkräfte

der aufgeschweißten Drahtelemente auf den Aluminiumblechen in Abhängigkeit vom Schweißstrom sind

der Abbildung 6 zu entnehmen.

Abscherfestigkeit des Elements

Scherzugfestigkeit der Verbindung

Werkstoffe

Drahtelement

N 1.4316; Prüfmaschine Zwick Z250, Prüfgeschwindigkeit

Ø 2,4 mm

10 mm/min

Schweißparameter Elektrodenkraft Schweißzeit Schweißstorm

Primärprozess F E

= 2 kN t s

= 9 ms I s

= var.

Gesamtverbindung F E

= 4 kN t s

= 10 ms I s-uG

= 16 kA ; I s-oG

= 23 kA

Abbildung 6: Maximal ertragbare Abscherkräfte des auf das Aluminiumblech aufgeschweißten hochlegierten

Drahtelements und maximal ertragbare Scherzugkräfte der geschweißten Stahl-Aluminium-Verbindungen

Bei der zweiten Prozessstufe erfolgte das Verschweißen des vorher hergestellten Verbundes auf einem

Blech aus 22MnB5. Die erreichten Scherzugkräfte sind jeweils für die untere und die obere Grenze des

Schweißbereichs dargestellt. Darüber hinaus stellte sich die Frage, inwieweit die Endverbindung durch

die erste Prozessstufe, der Applikation des Drahtelementes, beeinflusst wird. Um dies zu klären, wurden

Scherzugversuche an geschweißten Verbindungen durchgeführt, die mit unterschiedlichen Parametern

appliziert wurden. Weiter erfolgten Scherzugversuche jeweils für die obere und untere Qualitätsgrenze.

Dem Schaubild ist zu entnehmen, dass mit dem Anstieg des Schweißstroms bei der Applikation des

Drahtelementes die ertragbaren Scherzugkräfte der Gesamtverbindungen sinken. Einen deutlich

größeren Einfluss hat aber die Stromstärke beim Verbindungsschweißen. Die Verbindungsfestigkeit ist an

der oberen Prozessgrenze etwa doppelt so hoch wie an der unteren.

DVS 356 5


Abbildung 7 ist einen Querschnitt der gesamten Fügeverbindung zu entnehmen. Die Fügestelle 1 wurde

als primär erzeugte Verbindung gekennzeichnet und Fügestelle 2 als die Fügeverbindung zwischen

Drahtelement und dem Stahlblech. Außerdem veranschaulicht Abbildung 7 die Möglichkeit eine

Verbindung an einem extrem kurzen Flansch von 6 mm für DE mit einem Durchmesser von 2,4 mm

herzustellen.

Abbildung 7: Querschnitt der geschweißten Stahl-Aluminium-Verbindung mit ca. 6 mm Flanschlänge

Ein besonderer Vorteil dieses Schweißverfahrens für hybrider Stahl-Aluminium-Verbindungen ist der

geringe Wärmeeintrag. Er ist so gering, dass die Zersetzung bzw. den Abbrand des Klebstoffes nahezu

vollständig vermieden werden konnte. In Abbildung 8 ist ein Querschliff einer Verbindung mit Klebstoff

dargestellt und es ist deutlich zu erkennen, dass der Klebstoff die hergestellte Verbindung dicht

umschließt, und an der unteren Grenze die eingebrachte Wärme den Klebstoff nicht beschädigt. Die

Verbindung an der obere Qualitätsgrenze weist im Querschnitt eine teilweise thermische Beeinflussung

des Klebstoffs auf, welche aber als nicht kritisch einzustufen ist.

Abbildung 8: Querschliff einer hybriden Verbindung an der unteren und oberen Qualitätsgrenze

5 Zusammenfassung und Fazit

Die neuartige Widerstandsschweißtechnologie weist zahlreiche wirtschaftliche Vorteile sowie eine gute

Eignung für das Schweißen von 22MnB5 mit Aluminium auf. Trotz des zweistufigen Fertigungsprozesses

kann die hohe Wirtschaftlichkeit durch das Schweißen im Kurzzeitbereich, Einsatz von kostengünstigen

Fügeelementen und marktübliche Anlagentechnik erreicht werden. Durch kurze Schweißzeit und dadurch

geringen Wärmeeintrag beim Widerstandsschweißen wird der Klebstoff nicht beschädigt.

Durch den Einsatz von drahtförmigen Einlegeelementen kann mit kürzeren Flanschlängen gearbeitet

werden, was beispielhaft an der Reduzierung der Flanschlänge auf bis zu 6 mm gezeigt werden konnte.

Die Fügestelle ist äußerlich nicht sichtbar und schädigt nicht die Beschichtung des verwendeten

Stahlblechs. Durch die Schweißprozessparameter sowie den Durchmesser des Elementes kann die

benötigte Spaltbreite zwischen beiden Fügepartner eingestellt werden, was im Endeffekt Qualität von

Klebeverbindung beeinflusst.

Weiterhin weist diese Verfahrensvariante eine gute Automatisierbarkeit auf, was einem möglichen

späteren Einsatz und der Wirtschaftlichkeit zu Gute kommt.

6 Danksagung

Das IGF-Vorhaben IGF 20164 BR/ FOSTA-Nr. P1294 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

- FOSTA, Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programmes zur

6 DVS 356


Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für

Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Wir bedanken uns bei den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses und allen Mitwirkenden für

die Unterstützung bei der Durchführung des Vorhabens.

7 Literaturverzeichnis

[1] Kotschote, C.; Korte, M.; Neudel, C.; Bergmann, J. P.; Rudolf, H.: Bewertung der

Verbindungscharakteristik beim Widerstandspunktschweißen mit Stanzelement. Nürnberg 2015.

[2] Jank, N.; Staufer, H.; Bruckner, J.: Schweißverbindungen von Stahl mit Aluminium – eine

Perspektive für die Zukunft. In: BHM 153 (2008) 5, S. 189–192.

[3] Eichleiter, F.: Fertigungs- und prozessbedingte Eigenschaften von Klebverbindungen im

Karosseriebau, Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2011. Aachen 2012.

[4] Meschut, G.; Janzen, V.; Olfermann, T.: Optimierung der Prozesskette und der

Verbindungseigenschafften beim Widerstandelementschweißen von Mischbauverbindungen für

Leichtbaukarosseriestrukturen. Duisburg 2016.

[5] Szczepaniak, A.; Fan, J.; Kostka, A.; Raabe, D.: On the Correlation Between Thermal Cycle and

Formation of Intermetallic Phases at the Interface of Laser-Welded Aluminum-Steel Overlap Joints.

In: Advanced Engineering Materials (2012), S. 464–472.

[6] Achar, D.R.G.; Ruge, J.; Sundaresan, S.: Verbinden von Aluminium mit Stahl, besonders durch

Schweißen, Aluminium-Monographie 1981.

[7] Wan, Z.; Wang, H.-P.; Chen, N.; Wang, M.; Carlson, B. E.: Characterization of intermetallic

compound at the interfaces of Al-steel resistance spot welds. In: Journal of Materials Processing

Technology 242 (2017), S. 12–23.

[8] Meschut, G.; Hahn, O.; Janzen, V.: Untersuchungen zum Fügen artverschiedener

Werkstoffkombinationen durch das Widerstandselementschweißen (WES). Duisburg 2013.

[9] Georgi, W.: Beitrag zum mechanischen Fügen von Metall-Kunststoff-Mischverbindungen,

Dissertation 2014.

[10] Wiese, E.: Kleb- und prozesstechnische Bewertung des Falzklebens, Zugl.: Braunschweig, Techn.

Univ., Diss., 2014. Aachen 2015.

[11] Friedrich, H. E.: Leichtbau in der Fahrzeugtechnik. Wiesbaden, s.l. 2013.

[12] Roos, E.; Maile, K.: Werkstoffkunde für Ingenieure. Grundlagen, Anwendung, Prüfung, 4. bearb.

Aufl. Berlin, Heidelberg 2011.

[13] Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium, 2., neu bearbeitete und aktualisierte Auflage.

Berlin, Heidelberg 2007.

[14] Schweißzusätze - Stäbe, Drähte und Schweißgut zum Wolfram-Inertgasschweißen von unlegierten

Stählen und Feinkornstählen – Einteilung (2013) DIN EN ISO 636. Berlin.

[15] Schweißzusätze - Drahtelektroden, Bandelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen

von korrosionsbeständigen und hitzebeständigen Stählen – Einteilung (2015) DIN EN ISO 14343.

Berlin.

[16] Dow Automotive Systems, Dow Europe GmbH: Product Overview - Betamate Body Structure

Adhesives. Abrufdatum 23.10.2015.

DVS 356 7


Beurteilung von Schweißbereichen auf Basis einer Prozessdatenanalyse

beim Widerstandspunktschweißen am Beispiel

des 22MnB5+AS150

M. Wohner, N. Mitzschke und S. Jüttner, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-

Universität Magdeburg

Konventionell werden Schweißbereichsdiagramme zur Bewertung und Optimierung der gewählten

Schweißparameter verwendet. Da dieses Vorgehen mit einem hohen Versuchsaufwand einhergeht, wird

eine Methodik benötigt, die den Aufwand signifikant verringern kann. Anhand einer Prozessdatenanalyse

wurden Kennwerte für den Werkstoff 22MnB5+A150 identifiziert, die eine effiziente Beurteilung des

Schweißbereiches ermöglichen. Zugleich konnte mit dieser Methodik eine systematische und effiziente

Optimierung der Schweißparameter vorgenommen werden.

1 Einleitung

Das Widerstandspunktschweißen (WPS) ist eines der dominierenden Schweißverfahren in der

automobilen Massenproduktion [1]. Wird exemplarisch ein Fahrzeug betrachtet, so sind durchschnittlich

2000 – 5000 Schweißpunkte vorhanden, bei denen Bleche mit unterschiedlicher Beschichtung, Güte bzw.

chemischer Zusammensetzung und Dicke gefügt werden [2, 3]. Hieraus ergeben sich stets neue

Herausforderungen an das Widerstandspunktschweißen, wie beispielsweise das artgleiche Fügen von

pressgehärteten Blechen mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung [4, 5]. Im Vergleich zu den

konventionellen Stählen weisen die pressgehärteten Stähle einen geringeren Schweißbereich auf, das

sich in einer Abnahme der Prozessstabilität widerspiegelt [4, 6].

Einen direkten Einfluss auf den Prozess des Widerstandspunktschweißens werden durch die

Schweißparameter, d. h. Schweißstrom, Schweißzeit und Elektrodenkraft, ausgeübt [7]. Aus diesem

Grund ist es von großer Bedeutung diese Parameter gezielt auf den jeweiligen Werkstoff und dessen

Beschichtung abzustimmen, um somit eine Steigerung der Prozessstabilität zu erzielen. Konventionell

erfolgt die Prozessparametrisierung mithilfe von Schweißbereichsdiagrammen, dessen Parameterfindung

primär auf der Erfahrung des Anwenders basiert und mit einem erhöhten Versuchsumfang einhergeht [8].

Aufgrund der steigenden Ansprüche an Qualität und Wirtschaftlichkeit wird eine effiziente Methode zur

Bewertung und Optimierung der vorgenommenen Parameteranpassungen benötigt. Das Ziel der

nachfolgenden Veröffentlichung liegt in der Entwicklung einer Bewertungsmethodik von

Schweißbereichsdiagrammen auf Basis einer Prozessdatenanalyse. Hierzu werden Prozesskennwerte

zur Abschätzung des erzielten Schweißbereiches abgeleitet, die eine systematische Optimierung der

Prozessparameter ermöglichen und somit den benötigten Versuchsumfang signifikant verringern.

2 Stand der Forschung

2.1 Methodik des Widerstandsschweißens

Die Grundlage des Widerstandspunktschweißens basiert darauf, dass sich stromdurchflossene Fügeteile,

aufgrund des elektrischen Widerstandes, bis zur Schmelztemperatur erwärmen. Bei ausreichender

Erwärmung der Fügestelle unter gleichzeitiger Krafteinwirkung werden die Fügepartner verbunden. Die

freigesetzte Wärmeenergie (Q zu) zwischen den Elektroden lässt sich nach dem jouleschen Gesetz

bestimmen zu [9, 10]:

t=t s

Q ZU = I 2 s (t) ∙ R g (t) ∙ dt .

(1)

t=0

Die zugeführte Wärme Q zu ist eine Funktion des quadratischen Schweißstroms I s und des

Gesamtwiderstandes R g, integriert über die Zeit des Stromflusses t s (Schweißzeit). Einstellbare Parameter

sind die Schweißzeit und der Schweißstrom, wohingegen sich der Gesamtwiderstand aus temperatur- und

kraftabhängigen Einzelwiderständen zusammensetzt [9 bis 11]. Die Beurteilung der gewählten

8 DVS 356


Prozessparameter erfolgt mittels Schweißbereichsdiagrammen, die aus der industriellen Sicht ein Maß

der Stabilität des Schweißprozesses darstellen [12]. Zur Aufstellung des Schweißbereiches wird eine

Punktfolge mit ansteigenden Stromwerten bei konstanter Schweißzeit und Elektrodenkraft geschweißt.

Wenn ein vordefinierter Punktdurchmesser erreicht wird, ist die Mindestqualitätsanforderung, d. h. die

untere Stromgrenze, erfüllt [8, 13]. Die obere Stromgrenze wird durch das Entstehen von

Grenzflächenspritzern bestimmt. Aus der Differenz der unteren und oberen Stromgrenze wird der

Schweißbereich ermittelt [8, 13].

2.2 Prozessdatenanalyse beim Widerstandspunktschweißen

Die Prozessdatenanalyse bildet die Basis für verschiedene Anwendungen beim

Widerstandspunktschweißen, wie beispielsweise der Qualitätsüberwachung und dem adaptiven Regeln

des WPS-Prozesses [14]. Hierbei werden Prozessgrößen benötigt, die mit der Linsenentwicklung

korrelieren und somit eine Aussage über die erzielte Schweißqualität ermöglichen [14, 15]. Verschiedene

Messgrößen können im Schweißprozess aufgezeichnet werden, wie beispielsweise die

Elektrodenbewegung, die Elektrodenkraft, die elektrischen Parameter des Schweißprozesses (Spannung,

Strom, Widerstand und Energie) sowie die Wärmestrahlung der Bleche [14, 16]. Eine exemplarische

Gegenüberstellung von Störeinflüssen, welche durch die Messsignale detektiert werden, sind in Tabelle 1

aufgeführt.

Tabelle 1 Messgrößen und die damit beschreibbaren Störgrößen, in Anlehnung an [17]

Störeinflüsse

Spannung

Erfasste Messgröße

dyn.

Strom

Widerstand

Energie

Elektrodenbewegung

Wärmeabstrahlung

Stromschwankungen + + + + + +

Nebenschluss + + + +

Elektrodenverschleiß + + + + +

Kraftschwankungen + +

Wärmeableitung + +

Spritzer + + + + +

schlechte Passung + +

schlechte Oberfläche + + + +

Dickenveränderung + + + + +

Anzahl der Bleche + + + +

Veränderung d. Materials + +

Ein plus (+) bedeutet, dass der Störeffekt mit der Messgröße erfasst werden kann

Eine Fülle von Informationen über die Linsenentwicklung sowie die auftretenden Störeinflüsse werden

durch den dynamischen Widerstand sowie der Elektrodenbewegung abgebildet [15, 17 bis 21].

Dynamischer Widerstand

Als dynamischen Widerstand wird der Quotient aus der Schweißspannung und dem Schweißstrom

während des Schweißprozesses verstanden [22]. Der dynamische Widerstandverlauf dient zur

Beurteilung der Linsenentwicklung, zum Detektieren von Schweißspritzern sowie als Qualitäts- und

Regelgröße [17, 18].

Elektrodenbewegung

Die Elektrodenbewegung, welche mit der thermischen Ausdehnung des Schweißgutes korreliert, ist seit

langem Gegenstand der Forschung zur Überwachung und Regelung des Schweißprozesses [14, 19,

20, 23]. Die ersten Ansätze zur Beurteilung der Schweißqualität basieren auf der maximalen

Elektrodenbewegung sowie der anfänglichen Expansionsrate des Schweißgutes [19, 20]. Dieses diente

als Grundlage zur Entwicklung unterschiedlicher Qualitäts- und Regelsysteme, welche die

Elektrodenbewegung und -geschwindigkeit als Führungsgrößen verwenden [14, 17, 23, 24]. Die

Abbildung 1 zeigt schematisch die Elektrodenbewegung s in Abhängigkeit von der Schweißzeit ts.

DVS 356 9


s / µm

Maximum

1

F E

2 F E 3 F E

s = 0 s > 0 s < 0

t / ms

I / kA

1 2 3

t / ms

F E

F E

F E

Vor der Linsenbildung Linsenbildung Einsinken der Elektroden

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Elektrodenbewegung, in Anlehnung an [19]

Durch den zeitlichen Verlauf des Elektrodenweges können Aussagen über die Linsenentwicklung, den

Linsendurchmesser sowie dem Elektrodenverschleiß getroffen werden [14, 15, 19, 23, 25].

3 Experimentelle Untersuchungen

3.1 Vorgehensweise

Aufgrund des hohen Versuchsaufwandes bei der Aufstellung von Schweißbereichsdiagrammen wird eine

Methode benötigt, welche den Versuchsaufwand signifikant verringern kann. Auf Basis der

Prozessdatenanalyse soll eine Vorhersage über den erzielten Punktdurchmesser (untere Stromgrenze)

sowie über das Auftreten von Schweißspritzer (obere Stromgrenze) getroffen werden. Um dieser

Anforderung gerecht zu werden, muss eine Korrelation zwischen den Prozesssignalen und dem

Schweißbereich hergestellt werden. Die Abbildung 2 zeigt das schematische Vorgehen der nachfolgenden

Untersuchungen auf.

Parameteranpassung Prozessdatenanalyse

I F

1. Schritt

1. Schritt

Schweißbereichsdiagramm

Schweißbereich

t

Indentifizierung von

Kennwerten

Punktdurchmesser / mm

d wmin = 4√t

Schweißstrom / kA

2. Schritt

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Vorgehensweise

Im ersten Schritt werden konventionelle Schweißbereichsdiagramme bei unterschiedlichen

Schweißkräften aufgestellt. Für jeden Schweißpunkt werden die Prozessdaten aus dem Abschnitt 3.3

erfasst. Im zweiten Schritt erfolgt die Korrelation zwischen den Schweißbereichsdigrammen und den

Prozessdaten. Anhand der Identifikation von signifikanten Kennwerten soll eine effiziente Methode

abgeleitet werden, welche die Schweißbereiche vorhersagen kann und somit eine gezielte Optimierung

der Schweißparameter ermöglicht.

3.2 Verwendete Schweißanlage, Material und Methode

Verwendete Schweißanlage

Alle Schweißungen wurden an einer C-Ständeranlage mit magneticDRIVE® der Firma NIMAK GmbH

durchgeführt. Zur Erzeugung des Schweißstromes agierte ein Mittelfrequenzgleichstrominverter, der

ebenfalls die Konstantstromregelung (KSR) für jeden Schweißvorgang gewährleistete. Die Besonderheit

der verwendeten Widerstandspunktschweißanlage lag in der Elektrodenzustellung und Krafterzeugung.

Die Zustellung der oberen Elektrode erfolgte mittels Linearantrieb, wohingegen die eigentliche

Krafterzeugung durch einen Elektromagneten realisiert wurde. Durch diese Technologie konnte es

ermöglicht werden, die Anpresskraft der Elektroden sowie das Nachsetzverhalten während des

Schweißvorganges dynamisch zu regeln.

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