SB_13.785B_LP

2006
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Kennwerte von
lasergeschweißten
Stahlbauteilen unter
Crashbelastung

Kennwerte von
lasergeschweißten
Stahlbauteilen unter
Crashbelastung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.785 B
DVS-Nr.: 09.037
Laboratorium für Werkstoff- und
Fügetechnik der Universität Paderborn LWF
Institut für Füge- und Strahltechnik der
Universität Magdeburg IFST
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.785 B / DVS-Nr.: 09.037 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 89
Bestell-Nr.: 170198
ISBN: 978-3-96870-088-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhalt
I
Inhalt
Inhalt.......................................................................................................................................... I
Formelzeichen und Abkürzungen.......................................................................................... V
1 Einleitung..............................................................................................................................1
2 Stand der Technik................................................................................................................3
2.1 Das Laserschweißen in der Systematik der Fertigungsverfahren...................................5
2.2 Geschichtliche Entwicklung des Laserstrahlschweißens ...............................................6
2.3 Verschiedene, technische Laserstrahlerzeugungsarten...................................................8
2.3.1 Der Halbleiterlaser...............................................................................................8
2.3.2 Der Elektronenlaser .............................................................................................8
2.3.3 Der Gaslaser.........................................................................................................8
2.3.4 Der Flüssigkeitslaser............................................................................................9
2.3.5 Der Festkörperlaser, der Nd-YAG-Laser.............................................................9
3 Ziel des Forschungsvorhabens und Vorgehensweise......................................................14
4 Versuchsrandbedingungen ...............................................................................................16
4.1 Verwendete Versuchswerkstoffe..................................................................................16
4.1.1 Duktiler Tiefziehstahl DC05..............................................................................16
4.1.2 Hochfester Stahl DP-K30/50 .............................................................................17
4.2 Variationen der Lasernahtformen.................................................................................18
4.2.1 Liniennaht als offene Nahtform.........................................................................18
4.2.2 Kreisnaht als geschlossene Nahtform ................................................................19
4.3 Verwendete Probenformen zur Ermittlung von Kennwerten.......................................20
4.3.1 Aufbau der Einelement-KS2-Probe ...................................................................20
4.3.2 Aufbau der Mehrelement-T-Stoß Probe ............................................................24
4.4 Zur Herstellung der Verbindung genutzte Geräte ........................................................25
4.4.1 Eingesetzte Laserart und genutzter Schweißroboter..........................................25
4.5 Für die Ermittlung der Kennwerte genutzte Prüfmaschinen ........................................30
4.5.1 Universalprüfmaschine Zwick Z100 zur Prüfung der quasistatischen
Belastung ...........................................................................................................30
4.5.2 Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine Instron VHS 25/20 zur Prüfung der
schlagartigen Belastung .....................................................................................31

Inhalt
II
4.5.3 Universalprüfmaschine Zwick Z250 zur Prüfung der quasistatischen
Belastung ...........................................................................................................32
4.5.4 Universalprüfstand MTS zur Prüfung unter schlagartigen Belastung ...............34
5 Untersuchungen an KS2-Proben aus verschiedenen Werkstoffen, Blechdicken
und Lasernahtformen........................................................................................................37
5.1 Metallografische Untersuchungen und Härtemessungen an den Verbindungen..........37
5.1.1 Nahtausbildung und Härte der Liniennaht an KS2-Probe aus dem
Werkstoff DC05.................................................................................................38
5.1.2 Nahtausbildung und Härte der Kreisnaht an der KS2-Probe aus dem
Werkstoff DC05.................................................................................................41
5.1.3 Nahtausbildung und Härte der Liniennaht an der KS2-Probe aus dem
Werkstoff DP-K30/50........................................................................................44
5.1.4 Nahtausbildung und Härte der Kreisnaht an der KS2-Probe aus dem
Werkstoff DP-K30/50........................................................................................47
5.1.5 Laserschweißnähte hergestellt mit Parametern aus der Serienfertigung ...........50
5.1.6 Untersuchungen an Laserschweißnähten nach einer simulierten
KTL-Behandlung ...............................................................................................52
6 Ermittlung von Kennwerten lasergeschweißter KS2-Proben bei verschiedenen
Belastungsarten und Werkstoffen....................................................................................53
6.1 Untersuchungen an KS2-Proben aus dem Werkstoff DC05 ........................................54
6.1.1 Quasistatische Belastungen der Liniennaht mit Lastwinkelvariationen ............54
6.1.2 Schlagartige Belastungen der Liniennaht mit Lastwinkelvariationen ...............60
6.1.3 Quasistatische Belastungen der Kreisnaht mit Lastwinkelvariationen..............65
6.1.4 Schlagartige Belastungen der Kreisnaht mit Lastwinkelvariationen.................70
6.2 Untersuchungen an KS2-Proben aus dem Werkstoff DP-K30/50................................74
6.2.1 Quasistatische Belastungen der Liniennaht mit Lastwinkelvariationen ............74
6.2.2 Schlagartige Belastungen der Liniennaht mit Lastwinkelvariationen ...............79
6.2.3 Quasistatische Belastungen der Kreisnaht mit Lastwinkelvariationen..............83
6.2.4 Schlagartige Belastungen der Kreisnaht mit Lastwinkelvariationen.................87
7 Gegenüberstellung und Diskussion der an KS2-Proben ermittelten Kennwerte ........92
7.1 Verbindungskennwerte der Fügepaarung DC05 ..........................................................92
7.2 Verbindungskennwerte der Fügepaarung DP-K30/50 ...............................................102

Inhalt
III
8 Untersuchungen an T-Stoß Proben aus verschiedenen Werkstoffen, Blechdicken
und Lasernahtformen......................................................................................................112
8.1 Untersuchungen an T-Stoß Proben aus dem Werkstoff DC05 zur Validierung der
Bauteilsimulation........................................................................................................112
8.1.1 Quasistatische Belastungen der Liniennaht in Längs- und Querrichtung........112
8.1.2 Schlagartige Belastungen der Liniennaht in Längs- und Querrichtung...........117
8.1.3 Quasistatische Belastungen der Kreisnaht in Längs- und Querrichtung .........120
8.1.4 Schlagartige Belastungen der Kreisnaht in Längs- und Querrichtung ............124
8.2 Untersuchungen an T-Stoß Proben aus dem Werkstoff DP-K30/50 zur Validierung
der Bauteilsimulation..................................................................................................129
8.2.1 Quasistatische Belastungen der Liniennaht in Längs- und Querrichtung........129
8.2.2 Schlagartige Belastungen der Liniennaht in Längs- und Querrichtung...........132
8.2.3 Quasistatische Belastungen der Kreisnaht in Längs- und Querrichtung .........136
8.2.4 Schlagartige Belastungen der Kreisnaht in Längs- und Querrichtung ............141
8.3 Gegenüberstellung und Diskussion der Untersuchungsergebnisse an
T-Stoß Proben.............................................................................................................144
9 Numerische Untersuchungen an T-Stoß Proben ..........................................................153
9.1 Ziel a.........................................................................................................................153
9.2 Modellaufbau des CAD- und FE-Models der T-Stoß Probe und des Prüfsystems ....154
9.2.1 CAD-Modelle ..................................................................................................155
9.2.2 FEM-Modelle der T-Stoß Probe und des Prüfsystems ....................................156
9.3 Definition der Randbedingungen ...............................................................................160
9.3.1 Ersatzmodelle für die Linienaht- und Kreisnahtverbindungen........................160
9.3.2 Lagerungsbedingungen für das FE-T-Stoß Modell bei unterschiedlichen
Belastungsrichtungen.......................................................................................163
9.3.3 Versagensmodell..............................................................................................165
9.3.4 Materialdefinition ............................................................................................171
9.4 Gegenüberstellung der T-Stoß-Simulationsergebnisse mit Versuchsergebnissen
am Beispiel des Werkstoffes DP-K30/50 in einer Blechdicke von t = 1,8 mm .........173
9.4.1 Belastungen der Proben in Längsrichtung .......................................................173
9.4.2 Belastungen der Proben in Querrichtung.........................................................178
10 Zusammenfassung ...........................................................................................................183

Inhalt
IV
11 Hinweise für die Dimensionierung lasergeschweißter Bauteile unter
Crashbelastung.................................................................................................................186
12 Literaturverzeichnis ........................................................................................................187
13 Anhang..............................................................................................................................193
13.1 Untersuchungen an KS2-Proben aus dem Werkstoff DC05 ......................................193
13.1.1 Quasistatische Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Liniennaht ..........193
13.1.2 Schlagartige Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Liniennaht .............198
13.1.3 Quasistatische Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Kreisnaht............203
13.1.4 Schlagartige Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Kreisnaht...............208
13.2 Untersuchungen an KS2-Proben aus dem Werkstoff DP-K30/50..............................213
13.2.1 Quasistatische Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Liniennaht ..........213
13.2.2 Schlagartige Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Liniennaht .............218
13.2.3 Quasistatische Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Kreisnaht............223
13.2.4 Schlagartige Belastungen mit Lastwinkelvariationen der Kreisnaht...............228
13.3 Einfluss der Belastungsrichtung auf die Maximalkraft ..............................................233
13.4 Vergleich Simulation und Versuch.............................................................................234
13.4.1 Ergebnisse unter quasistatischer Belastung .....................................................234
13.4.2 Ergebnisse unter schlagartiger Belastung ........................................................242
13.5 Darstellung der Versagensparameter für den Werkstoff DP-K30/50 unter
quasistatischer Prüfgeschwindigkeit...........................................................................250
13.6 Darstellung der Versagensparameter für den Werkstoff DC05 unter
quasistatischer Prüfgeschwindigkeit...........................................................................252
13.7 Darstellung der Versagensparameter für den Werkstoff DP-K30/50 unter
schlagartiger Prüfgeschwindigkeit .............................................................................254
13.8 Darstellung der Versagensparameter für den Werkstoff DC05 unter
schlagartiger Prüfgeschwindigkeit .............................................................................256

Einleitung 1
1 Einleitung
Die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen bei gleichzeitiger Steigerung der Crashsicherheit
erfordert den Einsatz von ausgewählten Werkstoffen. Zur optimalen Nutzung der
Werkstoffeigenschaften, kommen Werkstoffe zum Einsatz, die dem Kompromiss aus
Gewichtsreduktion und Crashsicherheit Rechnung tragen. Weiter sind hierzu geeignete
Fügeverfahren mit entsprechenden Fügegeometrien auszuwählen. Dabei ist das Interesse an
effizienten Verfahren ungebrochen hoch. Das Fügeverfahren Laserstrahlschweißen erfüllt im
weitesten Sinne die hohen Anforderungen an Effizienz und Qualität. Im Hinblick auf
Variabilität, bezogen auf die Fügegeometrie, und Verbindungsfestigkeit, werden die
genannten Anforderungen zum Teil übertroffen. Der Einzug in den Karosserierohbau ist
somit vorprogrammiert und in einigen Bereichen teilweise realisiert.
Für die Anwendung des Laserstrahlschweißens in sicherheitsrelevanten Strukturen, welche
vorwiegend virtuell, z.B. mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) ausgelegt werden,
existieren keine genauen Eingangsdaten. Die Übertragbarkeit von Daten in das FEM-System
ist grundsätzlich möglich, wird jedoch ungenau. Zur Ermittlung von Eingangsdaten, wie
Verbindungsfestigkeiten, unter verschiedenen Belastungsarten existieren unterschiedliche
Probenformen an denen einzelne Fügeelemente realisiert und untersucht werden können.
Relevant bei der Untersuchung dieser so genannten Einelementproben ist die
Berücksichtigung von im Betriebsfall auftretenden Lastfällen die sowohl als reine
Scherzugbelastung als auch reine Kopfzugbelastung, aber vor allem in kombinierter Form
auftreten können. Zur Untersuchung dieser Lastfälle können begrenzt einfach überlappte
Proben verwendet werden, die nur die beiden erstgenannten Lastfälle abdecken.
Für die Einbringung kombinierter Lastfälle eignet sich insbesondere die so genannte
KS2-(Kopfzug-Scherzug)-Probe.
Zur Ermittlung von Kennwerten an lasergeschweißten Stahlbauteilen unter Crashbelastung
sollen aufgrund oben genannter Eigenschaften, die KS2-Proben verwendet werden. Um die
Tauglichkeit von Laserverbindungen unter Crashbelastung bewerten zu können, sind zwei
unterschiedliche Lasernahtformen zu betrachten. Hierbei ist es von Bedeutung, das die eine
Nahtform offen und die andere geschlossen gestaltet wird. Um den Einfluss des Werkstoffes
und die Blechdicke analysieren zu können, sollen ein duktiler und ein hochfester Werkstoff in
zwei verschiedenen Blechdicken untersucht werden.

Einleitung 2
Zur Bestimmung der Übertragbarkeit der an Einelementproben ermittelten Kennwerte auf
Mehrelementproben sollen Untersuchungen an bauteilähnlichen T-Stoß Proben, welche
vereinfacht eine Querträger-Längsträgerverbindungen nachbilden, durchgeführt werden.
Zudem sollen mit Hilfe der FEM-Crashsimulation die entsprechenden T-Stoß Probenversuche
nachgebildet und das Versagensverhalten der Laserverbindungen mit berücksichtigt werden.
Da für Laserverbindungen keine Ersatzmodelle existieren, soll ein für punktförmige
Verbindungen vorhandenes Ersatzmodell verwendet und die Tauglichkeit anhand der
Ergebnisvergleiche bewertet werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Kennwerte an lasergeschweißten Stahlbauteilen unter
Crashbelastung bei Berücksichtigung unterschiedlicher Nahtgeometrien, Werkstoffe,
Blechdicken und Belastungsarten zu ermitteln. Auch sollen diese Kennwerte so aufbereitet
werden, dass sie sich als Eingangsdaten für die FE-Crashsimulation eignen.

Stand der Technik 3
2 Stand der Technik
Das Schweißen mit Laserstrahlung ist ein innovatives thermisches Fügeverfahren, das in
vielen Fertigungsbereichen einen starken Zuwachs verzeichnet. Im Automobilbau setzt sich
das Laserschweißen zunehmend durch [32] [35] [36].
Beim Laserschweißen wird die Energie mittels elektromagnetischer Wellen,
der Laserstrahlung, ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt zwischen Energiequelle
und Werkstück der Schweißzone zugeführt. Das Verfahren kann prinzipiell in
das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen unterteilt werden, Bild 1.
Bild 1: Prinzip des Wärmeleitungsschweißens und des Tiefschweißens [1].
Beim Wärmeleitungsschweißen entsteht die Schmelzgeometrie bzw. die Schweißnaht durch
Energietransport von der Werkstückoberfläche ins Werkstück. Im Gegensatz dazu erfolgt
beim Tiefschweißen der Energietransport überwiegend optisch, d.h. die Laserstrahlung dringt
durch eine Kapillare ins Werkstück ein und wird von den Kapillarwänden absorbiert und in
Wärme umgewandelt. Die wichtigste Verfahrensvariante beim Fügen mittels
Laserstrahlung stellt das Lasertiefschweißen dar.
Vorteil des Laserschweißens ist unter anderem, die schlanke Schweißnahtausbildung,
wodurch die thermische Belastung des Grundwerkstoffes gering bleibt und damit der Verzug
der Bauteile geringer ausfällt. Die Kombination von hohen Schweißgeschwindigkeiten
mehrerer Meter pro Minute und eine gute Automatisierbarkeit des Verfahrens tragen zur
hohen Produktivität bei. Zudem können sehr komplexe Strukturen im 2D- oder 3D-Bereich an
schwer bzw. einseitig zugänglichen Stellen geschweißt werden [22]. In Tabelle 1 sind
die Vor- und Nachteile des Laserstrahlschweißens zusammengefasst.