stahl + eisen 06/2021 (Leseprobe)

WISSENSCHAFT
TECHNIK
Liquid Metal Embrittlement
AUTOREN: Max Biegler 1 , Christoph
Böhne 4 , Michael Rethmeier 2,1,3
max.biegler@ipk.fraunhofer.de
1
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und
Konstruktionstechnik (IPK)
2
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb,
TU Berlin
3
Bundesanstalt für Materialforschung und –
Draufsicht auf eine WPS-Verbindung
mit Rissen
Durch den Widerstandspunktschweißprozess bilden sich Risse, weil
die Zinkbeschichtung mit den Korngrenzen reagiert.
Prüfung (BAM)
4
Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF®),
Universität Paderborn
DARUM GEHT’S: Beim Widerstandspunktschweißen
moderner hochfester
Stähle kann es durch Reaktionen
mit der Zinkschicht zu einer Rissbildung
kommen. Obwohl die Risse nur
in extremen Fällen Einfluss auf die
Leistungsfähigkeit der Schweißung
haben, soll ihre Bildung vermieden
werden, um Qualitätsanforderungen
zu entsprechen. In diesem Artikel
werden die zinkinduzierte Rissbildung
vorgestellt, Einflussfaktoren diskutiert
und Vermeidungsstrategien
beschrieben.
Aufgrund ihres hohen Potenzials
zur Gewichtsreduzierung erfährt
die Automobilproduktion
eine kontinuierliche Zunahme von Bauteilen
aus hochfesten Stählen (Advanced
High Strength Steels (AHSS)). Die
Stahlsorten sind in der Regel verzinkt
für eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit
und werden vornehmlich durch
Widerstandspunktschweißen (WPS) in
der Rohbaufertigung verbunden. Das
WPS ist ein äußerst dynamischer Prozess,
bei dem die Bleche durch zwei
Kupferelektroden zusammengedrückt
werden und dann mit einem hohen
Strom in unter einer Sekunde verschmolzen
werden. Dabei kann es in
Reaktion mit der Zinkschicht zur Bildung
von Flüssigmetallversprödung
(Liquid Metal Embrittlement – LME)
kommen. LME ist die Infiltration der
Korngrenzen eines Metalls durch ein
flüssiges Metall niedrigeren Schmelzpunkts,
was zu einer Schwächung der
Korngrenzen und Reduzierung der Duktilität
führt. Als Voraussetzung für die
Bildung von LME ist also ein Stahl mit
anfälliger Legierung und Kornstruktur
sowie die Verfügbarkeit von flüssigem
Zink zu nennen.
Charakterisierung von Rissen
Das Vorhandensein von LME in einem
Schweißpunkt führt nicht unbedingt zu
dessen Funktionsverschlechterung: So
sind die Risslage in Relation zum
Abbildung 1: Zur Bestimmung der Rissneigung kann die Risslänge auf der
Oberfläche nach dem Schweißen vermessen werden. In der Grafik sind Risse
im Elektrodeneindruck und an der sogenannten „Schulter“ der Schweißverbindung
mit gestrichelten Linien nachgezeichnet.
Schweißpunkt sowie die Größe der Risse
ausschlaggebend für einen Einfluss
auf die Tragfähigkeit der Verbindung.
In diesem Zusammenhang ist die Risscharakterisierung
ein wichtiges Werkzeug,
da LME die Bildung von Rissen in
verschiedenen Bereichen einer Widerstandspunktschweißverbindung
verursachen
kann. Häufig wird unterschieden
zwischen Rissen im Elektrodeneindruck,
Rissen an der Schulter außerhalb
des Elektrodeneindrucks und Risse in
der Grenzfläche zwischen den Blechen.
Eine Quantifizierung der Rissintensität
erfolgt üblicherweise durch Messung
der Risseindringtiefe in Querschliffen
oder der Risslänge auf makroskopischen
Bildern der Blechoberfläche (Abbildung
1). Um nun einen Einfluss der
Risse auf die Tragfähigkeit bewerten zu
können, spielen Arten der Belastung,
Kraftfluss und Risslage und -morphologie
eine Rolle, wobei eine gewisse
Menge von Rissen durchaus toleriert
werden kann. In jedem Fall gehen aber
die strengen Qualitätsanforderungen
der Automobilindustrie dahin, dass Risse
vermieden werden müssen: Dafür
muss das Phänomen LME verstanden
und mit geeigneten Maßnahmen verhindert
werden.
Eingangsprüfung: LME forcieren
und Stähle vergleichen
Für anwendungsorientierte Tests der
LME Anfälligkeit eines spezifischen
Stahls gibt es heute bereits eine Reihe
von Testmöglichkeiten. Den Tests ist
gemein, dass sie „ungünstige“ Schweißbedingungen
verwenden, um Rissbildung
im Labor zu forcieren. Das heißt,
es werden beispielsweise hohe Lasten
von außen angelegt, ein sogenanntes
„Schweißen-Unter-Zug“ Setup, siehe
Abbildung 2. Eine weitere Möglichkeit
ist, besonders energieintensive Schweißparameter
mit hohen Strömen und langen
Schweißzeiten zu wählen, um die
Zinkdiffusion künstlich zu erhöhen.
Nach dem Test wird die Oberfläche von
noch aufliegendem Zink befreit und die
Zahl der Risse unter einem Mikroskop
oder im Querschliff vermessen. Mit diesen
Tests lassen sich Materialien vergleichen
und Aussagen vom Typ „Stahl
A ist anfälliger als Stahl B“ treffen. So
Quelle: Fraunhofer IPK
44 Juni 2021 stahlundeisen.de