SB_17.528NLP
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2015<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Einfluss von fertigungsbedingten<br />
Spalten auf das<br />
Tragverhalten von Widerstandspunktschweißverbindungen<br />
aus hochfesten<br />
Stählen
Einfluss von<br />
fertigungsbedingten Spalten auf<br />
das Tragverhalten von<br />
Widerstandspunktschweißverbindungen<br />
aus hochfesten<br />
Stählen<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 17.528 N<br />
DVS-Nr.: 04.055<br />
Bundesanstalt für Materialforschung und -<br />
prüfung (BAM) FB 9.3<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.528 N / DVS-Nr.: 04.055 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im<br />
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 280<br />
Bestell-Nr.: 170389<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-279-7<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Inhaltsverzeichnis zum Abschlussbericht zum Projekt<br />
IGF-17.528 / DVS-Nr. 04.055<br />
Danksagung<br />
1 Einleitung<br />
2 Bedeutung des Vorhabens<br />
2.1 Wissenschaftliche Bedeutung<br />
2.2 Wirtschaftliche Bedeutung<br />
3 Ablauf des Forschungsprojektes<br />
3.1 Forschungsziel<br />
3.2 Lösungsweg<br />
3.3 Versuchsaufbau<br />
3.3.1 Schweißzange<br />
3.3.2 Versuchswerkstoffe<br />
3.3.3 Mechanisch-technologische Untersuchung der hergestellten<br />
Widerstandspunktschweißverbindungen<br />
3.3.3.1 Quasi statische Prüfungen<br />
3.3.3.2 Instrumentierte Eindringprüfung<br />
3.3.3.3 Schwingfestigkeitsprüfung<br />
3.3.3.4 Hochgeschwindigkeitszugversuche<br />
3.3.3.5 Härteprüfungen<br />
3.3.4 Numerische Versuchsdurchführung<br />
4 Prozesstechnische Untersuchungen<br />
4.1 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei ein- und beidseitiger<br />
Einspannung<br />
4.1.1 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei einseitiger Einspannung<br />
4.1.2 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei beidseitiger Einspannung<br />
4.2 Prozesssicherheitskoeffizient bei ein- und beidseitiger Einspannung<br />
4.3 Einfluss der Einspannart auf die Schweißbereiche mit unterschiedlichem<br />
Spaltmaß<br />
4.4 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze<br />
4.4.1 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei einseitiger Einspannung
4.4.2 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei beidseitiger Einspannung<br />
4.5 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei ein- und beidseitiger Einspannung<br />
4.6 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der<br />
Spritzergrenze<br />
4.6.1 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der<br />
Spritzergrenze bei einseitiger Einspannung<br />
4.6.2 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der<br />
Spritzergrenze bei beidseitiger Einspannung<br />
4.7 Spaltmaßeinfluss auf den Schweißbereich bei U-Profilen<br />
4.8 Spaltmaßeinfluss auf den Elektrodenkraftverlauf<br />
4.8.1 Elektrodenkraftverlauf bei einseitiger Einspannung<br />
4.8.2 Elektrodenkraftverlauf bei beidseitiger Einspannung<br />
4.8.3 Elektrodenkraftverlauf bei ein- und beidseitiger Einspannung<br />
5 Festigkeitsuntersuchungen<br />
5.1 Quasi-statische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten<br />
Werkstoffe<br />
5.2 Zyklische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten Werkstoffe<br />
5.3 Dynamische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten<br />
Werkstoffe<br />
6 Bestimmung der lokalen Dehnung sowie Berechnung des<br />
Spaltmaßeinflusses auf die Spannungsverhältnisse<br />
6.1 Aramis-Messungen<br />
6.2 Instrumentierte Härteeindringprüfung<br />
6.3 Numerische Simulation<br />
7 Charakterisierung des Spaltmaßeinflusses durch Prozesskenngrößen<br />
7.1 Prozesssicherheitskoeffizient bei ein- und beidseitiger Einspannung<br />
7.2 Prozess-Festigkeits-Kenngröße bei ein- und beidseitiger Einspannung<br />
8 Zusammenfassung<br />
Literaturverzeichnis
1 Einleitung<br />
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, die Treibhausgasemission bis 2020 um mindestens<br />
20 % (gegenüber dem Stand von 1990) zu reduzieren. Mit einem Anteil von 26 % trägt der<br />
Gesamtverkehr erheblich zu den CO2-Gesamtemissionen in der EU bei. Der Pkw-Verkehr ist dabei<br />
mit 12 % für in etwa die Hälfte der Emission verantwortlich. In den kommenden Jahren sollen die<br />
Emissionsgrenzwerte weiter gesenkt werden, was bei stetig steigenden Anforderungen an die<br />
Fahrzeuge die Forderung nach zusätzlicher Gewichtsreduktion der Rohkarosserie verschärft. Die<br />
Umsetzung von Leichtbaukonzepten im Rohkarosseriebereich erfolgt anforderungsabhängig bei<br />
den verschiedenen Pkw-Herstellern unterschiedlich. So bilden neben Aluminiumlegierungen,<br />
Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen neu entwickelte hochfeste Stahlfeinbleche die<br />
werkstofftechnische Grundlage.<br />
Die in den letzten Jahren ständig gestiegenen Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit,<br />
Komfort und Fahrleistungen konnten durch Steifigkeitserhöhung der Karosserie, Verbesserung des<br />
Fahrwerks und höhere Motorleistungen realisiert werden. Diese Maßnahmen waren allerdings<br />
stets mit einer Zunahme der Fahrzeuggewichte verbunden. So haben sich<br />
fahrzeugklassenübergreifend innerhalb der letzten drei Jahrzehnte die Fahrzeuggewichte im Mittel<br />
um etwa 600 kg erhöht. Diese Steigerungen des Gesamtgewichts eines Fahrzeugs lassen sich<br />
durch den Einsatz von Leichtbaukomponenten im Bereich des Rohkarosseriebaus teilweise<br />
kompensieren. Die durch Rohkarosserie-Leichtbaumaßnahmen erreichte Verringerung der<br />
gestiegenen Fahrzeuggewichte bewirkt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der<br />
Kohlendioxidemissionen. Dabei verstärkt sich der Trend zur Multi-Material-Bauweise.<br />
Dementsprechend werden immer häufiger unterschiedliche Fügetechnologien nebeneinander beim<br />
Bau einer Rohkarosserie angewandt. Neben den üblichen Schweiß- und Lötverfahren werden<br />
dabei auch mechanische Füge- und Klebverfahren eingesetzt. Überdies wendet man,<br />
insbesondere zur Steifigkeitserhöhung von Karosserieteilen, auch hybride Verfahren,<br />
beispielsweise das Widerstandspunktschweißkleben an. Für die neu entstandenen hochfesten<br />
Stahlwerkstoffkonzepte stellen das Widerstandspunktschweißen und -kleben wirtschaftliche und<br />
prozesssichere Fügeverfahren dar und dominieren die stahlblechorientierten Werkstoffsegmente<br />
im Rohkarosseriebau. Die im Karosseriebau eingesetzten Karosseriestähle bestehen aus<br />
mehreren Festigkeitsklassen. Neben normalfesten („weichen“) Tiefziehgüten und mikrolegierten<br />
Feinkornstählen bilden die hochfesten Mehrphasenstähle (Dualphasen- und<br />
Komplexphasenstähle, TRIP Stähle u. a.) aber auch pressgehärtete Mangan-Bor-Stähle, wie der<br />
22MnB5 + AS140, die werkstofftechnische Basis einer Rohkarosserie. Dabei werden die<br />
modernen Mehrphasenstähle häufig unter der gemeinsamen Bezeichnung „Advanced high<br />
strength steels“ (AHSS) zusammengefasst.<br />
7
In Lieferbedingungen für Stahlfeinblechwerkstoffe mit höherer Festigkeit ist in der Norm<br />
DIN EN 10346 ein größer werdendes Toleranzfenster für die zulässige Streuung mit steigender<br />
Zugfestigkeit vorgesehen. So bewegt sich die Streuung bei den normalfesten Stählen in der<br />
Größenordnung von 20 MPa (z. B. DX54D), während bei den hochfesten AHSS Streuungen von<br />
100 MPa (z. B. HCT780T) auftreten können. Diese werkstoffbedingte Streuung führt im<br />
Umformprozess zu Schwankungen. Darüber hinaus treten bei der Formgebung durch Streuungen<br />
innerhalb der Werkstoffkennwerte bedingte Schwankungen bei der Rückfederung der Bauteile auf.<br />
Überdies verstärken Blechdickenschwankungen diesen Effekt. In der industriellen Fertigung von<br />
Karosseriebauteilen treten deshalb häufig geometrische Abweichungen auf, die dazu führen, dass<br />
Bauteile in ihrer Form und Lage von dem konstruktiv vorgegebenen Idealzustand abweichen<br />
[1]. Die Form- und Lageabweichungen der zu fügenden Blechteile können in vielen Fällen durch<br />
Spanntechnik nicht ausgeglichen werden. Vorrangig äußern sich diese Abweichungen in Form von<br />
örtlich veränderlichen Spalten zwischen den Bauteilen. Daher ist der Einfluss der<br />
fertigungsbedingten Spalte auf die Prozesssicherheit und mechanisch-technologischen<br />
Eigenschaft der hergestellten Punktschweißverbindungen von großem Interesse.<br />
Abbildung 1.1: Spalte in der Karosseriefertigung<br />
In Abbildung 1.1 sind Beispiele aus dem Rohkarosseriebau zur Verdeutlichung dieses<br />
Sachverhalts dargestellt.<br />
8
2 Bedeutung des Vorhabens<br />
2.1 Wissenschaftliche Bedeutung<br />
Um den Einfluss fertigungsbedingter Spalte auf die Qualität von<br />
Widerstandspunktschweißverbindungen gering zu halten, wird dieser bei der Entwicklung<br />
von Qualitätsregelungssystemen für den Widerstandspunktschweißprozess als eine<br />
mögliche Prozessstörgröße berücksichtigt und ist Gegenstand der Forschung. So zeigen<br />
Untersuchungen von Saito /2/, Keitel u. a. /3/ und Hou /4/, dass bei einem ungeregelten<br />
Widerstandspunktschweißprozess Spalte einer bestimmten Größe zwischen den Fügeteilen<br />
bei identischen Schweißparametern (Fe = const., ts = const.) zu einer Erhöhung der<br />
Spritzerhäufigkeit und Reduzierung des Punktdurchmessers dp führen. Die Ursache für<br />
dieses Verhalten ist die vom Spaltmaß abhängige veränderte elektrische Kontaktsituation im<br />
Bereich der Fügestelle /5//6/. In Abbildung 2.1 ist schematisch die elektrische<br />
Kontaktsituation vereinfacht für eine Wechselstromquelle dargestellt.<br />
Abbildung 2.1: Schema Kontaktsituation ohne (links) und mit (rechts) Spalt an der Fügestelle<br />
Abhängig von der Art des fertigungsbedingten Spaltes (einseitig oder beidseitig) und des<br />
Spaltabstandes treten bei konstant gehaltenen Schweißparametern (Elektrodenkraft<br />
Fe=const., Schweißzeit t s =const.) für einen bestimmten vorgegebenen Elektrodenkappentyp<br />
unterschiedliche elektrische Kontaktsituationen an der Fügestelle auf. Die dadurch bedingten<br />
unterschiedlichen Stromdichten bzw. Übergangswiderstände zwischen den zu fügenden<br />
Stahlblechen und an den Elektroden-Blechübergängen führen zu spaltmaßabhängigen<br />
elektrischen Strömungsfeldern, die ein unterschiedliches Aufschmelzen des<br />
Grundwerkstoffes bewirken, was im Ergebnis zu einer geometrischen Veränderung der<br />
Schweißlinse führt. Die damit verbundene Verkleinerung des Schweißlinsenvolumens<br />
drückt sich werkstoffabhängig vorwiegend in einer Reduzierung der Schweißlinsenhöhe<br />
aus. Der Einfluss auf den Schweißlinsendurchmesser und somit auch auf den<br />
Punktdurchmesser ist dabei innerhalb bestimmter Grenzen weniger vorhanden, Preß u. a<br />
/7/. Durch die spaltmaßabhängige werkstoffspezifische Schweißlinsenvolumenverringerung<br />
9