Leseprobe_300356

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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
Seite 2 und 3: 39. Assistentenseminar Füge- und S
Seite 4 und 5: Vorwort Zum 39. Assistentenseminar
Seite 6: T. Gehling T. Bick M. Dieckmann Y.
Seite 11 und 12: intermetallischen Phasen zu vermind
Seite 13 und 14: Abbildung 7 ist einen Querschnitt d
Seite 15 und 16: Beurteilung von Schweißbereichen a
Seite 17: s / µm Maximum 1 F E 2 F E 3 F E s

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