SB_20628BGLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Schweißnahtgüte und
Schwingfestigkeit
geschweißter Verbindungen
aus Aluminium Knet- und
Druckgusswerkstoffen

Schweißnahtgüte und
Schwingfestigkeit
geschweißter Verbindungen
aus Aluminium Knet- und
Druckgusswerkstoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.628 BG
DVS-Nr.: 09.3087
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-
Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
IWS
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.628 BG / DVS-Nr.: 09.3087der 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 Klimaschutz 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
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 538
Bestell-Nr.: 170648
ISBN: 978-3-96870-538-5
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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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes .............................................................................................. 1
1.1 Problemstellung und Motivation (ifs) .................................................................. 1
1.2 Zielsetzung (ifs) ................................................................................................... 2
2 Stand von Wissenschaft und Technik.................................................................... 3
2.1 Aluminiumlegierungen (IWS) .............................................................................. 3
2.2 Schweißprozesse zur Verarbeitung von Aluminium (ifs) ................................... 5
2.2.1 Lichtbogenschweißprozesse (ifs)............................................................. 7
2.2.2 Strahlschweißprozesse (IWS) .................................................................. 8
2.3 Regelwerke zur Auslegung von zyklisch belasteten
Aluminiumschweißverbindungen (ifs) ................................................................ 9
3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten mit den Zielen des
Forschungsvorhabens .......................................................................................... 12
3.1 Arbeitsumfang des Forschungsprojektes (IWS) .............................................. 12
3.1.1 Arbeitspaket 1: Abgießen des Versuchsmaterials (ifs) ......................... 13
3.1.2 Arbeitspaket 2: Herstellung der Schweißproben (ifs) ............................ 14
3.1.3 Arbeitspaket 3: Werkstoffanalytik (ifs/IWS) ........................................... 17
3.1.4 Arbeitspaket 4: Schwing- und Nahtfestigkeit (ifs/IWS).......................... 20
3.1.5 Arbeitspaket 5: Kerbspannungsberechnung (IWS) ............................... 21
3.1.6 Arbeitspaket 6: Validierung der Ergebnisse (ifs) ................................... 24
3.1.7 Arbeitspaket 7: Richtlinien / Einsatzempfehlungen (ifs) ........................ 24
4 Versuchsergebnisse ............................................................................................. 25
4.1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe (ifs) .................................................... 25
4.2 Schweißtechnische Prozessuntersuchungen .................................................. 26
4.2.1 Metall-Schutzgas-Schweißen (ifs) ......................................................... 26
4.2.2 Elektronenstrahlschweißen (ifs) ............................................................. 29
4.2.3 Laserstrahlschweißen (IWS) .................................................................. 33
4.3 Untersuchung des Porengehalts mittels CT (ifs) ............................................. 43
4.4 Berechnung mit dem Kerbspannungskonzept DVS 0905 (IWS) .................... 48
4.5 Quasistatische Nahtfestigkeit (ifs) .................................................................... 49
4.6 Ermittlung der Wöhlerlinien............................................................................... 52
4.6.1 MSG geschweißte Proben (ifs) .............................................................. 52
4.6.2 EB geschweißte Proben (ifs).................................................................. 54
4.6.3 LBW geschweißte Proben (IWS) ........................................................... 58
4.6.4 LBW-HF geschweißte Proben (IWS)..................................................... 62
I

Inhaltsverzeichnis
4.6.5 Zusammenfassende Darstellung der Wöhlerlinien (ifs)........................ 65
4.7 Korrelation zwischen Nahtqualität und Schwingfestigkeit ............................... 67
5 Richtlinien und Einsatzempfehlungen ................................................................. 69
6 Schlussbemerkung .............................................................................................. 73
7 Zusammenstellung aller Veröffentlichungen ....................................................... 75
8 Literaturverzeichnis .............................................................................................. 77
9 Anhang ................................................................................................................. 79
II

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung des Forschungsprojektes
1.1 Problemstellung und Motivation (ifs)
Die industrielle Verwendung von Aluminiumprodukten steigt seit den 1980er Jahren
stetig an [Ost15]. Maßgebliche Treiber für diese Entwicklung sind die durch gesetzliche
Rahmenbedingungen und steigende Energiepreise getriebenen Leichtbauanstrengungen
in verschiedenen Bereichen der Transport- und Verkehrstechnik
[Ost15]. Ein Großteil der in Deutschland hergestellten Leichtbaustrukturen mit
definierten Materialeigenschaften findet dabei Verwendung im Automobil- und
Mobilitätssektor. Zur wirtschaftlichen Herstellung komplexer, dünnwandiger und
endkonturnaher Bauteile aus Aluminium in hoher Stückzahl wird überwiegend das
Aluminium-Druckgießverfahren eingesetzt. Im Zuge der Transformation zur E-Mobilität
ist für dieses Produktionsverfahren von einer weiteren Steigerung der
Produktionszahlen auszugehen, da es besonders gewichtseffiziente
Fahrzeugbauweisen ermöglicht.
Die Fertigung großer, dünnwandiger, für den Crash optimierter Strukturbauteile sowohl
für Verbrenner als auch in Zukunft für großvolumig herzustellende Elektroautos stellt
ein wesentliches Kompetenzfeld der KMU dar. Derartige Bauteile werden bei KMU
bereits zunehmend produziert, aber auch vermehrt anhand vorgegebener Lastenhefte
der OEMs für die Betriebsbeanspruchungen ausgelegt. Aufgrund der bedingten
Schweißeignung stellt die fügetechnische Implementierung von Aluminium-
Druckgussbauteilen in bestehende Aluminium-Strukturen eine zentrale technische
Herausforderung dar. Diese Hürde besteht insbesondere für KMU, da der rechnerische
Festigkeitsnachweis für geschweißte Verbindungen aus Al-Druckguss- und Al-
Knetlegierung anhand gängiger Regelwerke [DVS11, FKM12] aktuell nur sehr
eingeschränkt möglich ist und auf Kennwerte aus kostenintensiven Versuchen
angewiesen ist. Abbildung 1-1 zeigt ein Beispiel einer modernen
Leichtbaufahrzeugstruktur aus Aluminiumhalbzeugen, die einzeln oder in Baugruppen
aus der stark durch KMU geprägten Zuliefererbranche bezogen werden.
Abbildung 1-1: Verwendung von Aluminiumhalbzeugen am Beispiel des Audi TT Coupé
[Audi22]
1

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes
Die bedingte Schweißeignung von Al-Druckgusslegierungen ist auf den aus dem
Druckgussprozess resultierenden Gasgehalt und Einschlüsse zurückzuführen. Der
erhöhte Gasgehalt bewirkt ein erhöhtes Risiko zur Bildung von Poren und
Durchschüssen beim Schweißen. Die Entstehung dieser Unregelmäßigkeiten ist ferner
von der im Al-Druckgussbauteil schwankenden Gussqualität abhängig, so dass die
Schweißnahtunregelmäßigkeiten zufällig auftreten. Aus diesem Grund unterliegen
geschweißte Verbindungen aus Al-Druckguss meist einer, im Vergleich zu reinen
Knetlegierungen, erhöhten Ausschussquote. Eine systematische Verknüpfung von
Schweißnahtqualität, also der Ausprägung werkstoff- und prozesstypischer
Schweißnahtunregelmäßigkeiten mit der Nahtfestigkeit, ist bislang für geschweißte
Druckgussbauteile nicht erfolgt.
1.2 Zielsetzung (ifs)
Das übergeordnete Ziel des Vorhabens besteht darin, die Kenntnisse zum Einfluss von
Schweißnahtunregelmäßigkeiten geschweißter Knetlegierungen auf die
Druckgusswerkstoffe zu erweitern. Dabei sind sowohl konventionelle
Schweißverfahren (MIG- und konventionelles Laserschweißen) sowie innovative
Strahlschweißverfahren (EB-Mehrbadtechnik [Kra08, Tei16], Laserstrahlschweißen mit
hochfrequenter Strahloszillation [Dit16]) zu berücksichtigen. Dem Forschungsvorhaben
liegt die Arbeitshypothese zu Grunde, dass diese Korrelation auch für reine
Verbindungen aus Al-Druckgusslegierungen sowie Mischverbindungen aus Al-
Druckguss- und Al-Knetlegierung gelingt. Diese Verbindungen weisen aufgrund der
Metallurgie in der Regel anders ausgeprägte Schweißnahtunregelmäßigkeiten auf als
Schweißungen an reinen Al-Knetlegierung, sodass die bekannten Zusammenhänge
nicht direkt übertragen werden können. Art und Umfang der Unregelmäßigkeiten
können zudem durch neue Strahlverfahren (EB-Mehrbad, LBW-HF-Scanning) positiv
beeinflusst werden, sodass deren Ausprägung durch die Wahl des Schweißprozesses
und der Stoßform gezielt variiert und auf unterschiedlichen Analyseebenen mit der
experimentell ermittelten Schwingfestigkeit verknüpft werden kann. Die
Schweißnahtunregelmäßigkeiten werden mittels 3D-Computertomographie (CT)
ganzheitlich beschrieben und bewertet. Dem Endanwender wird ausgehend davon
eine Korrelation werkstoff- und verfahrenstypischer Schweißnahtunregelmäßigkeiten
mit der statischen Zugfestigkeit sowie der Schwingfestigkeit bereitgestellt.
Dazu sind insbesondere die folgenden Teilaspekte zu untersuchen:
Wie wirkt sich die Gussqualität (Vakuum- vs. Atmosphärendruckguss) auf die
Schweißnahtunregelmäßigkeiten und damit die Festigkeitskennwerte aus?
Wie sind moderne Schweißverfahren (EB-Mehrbadschweißen, Laser mit hochfrequenter
Strahloszillation) im Vergleich zu konventionellen Schweißverfahren
im Hinblick auf die Auswirkung der Schweißnahtunregelmäßigkeiten zu
bewerten?
Welche Grenzwerte für Schweißnahtunregelmäßigkeiten sind für Verbindungen
aus Al-Druckguss sowie Mischverbindungen aus Al-Druckguss und Al-
Knetlegierungen zulässig und welche Schwingfestigkeit kann rechnerisch in
Abhängigkeit von der Ausprägung der Unregelmäßigkeit angesetzt werden?
2

Stand von Wissenschaft und Technik
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Aluminiumlegierungen (IWS)
Im Jahr 2019 wurden in Deutschland Aluminiumformgussprodukte mit einem Gewicht
von 996.100 Tonnen (u.a. Druckguss, Kokillenguss und Sandguss) und
Aluminiumhalbzeuge (u.a. Walzfabrikate, Stangen, Rohre oder Profile) mit einem
Gewicht von 2.576.900 Tonnen hergestellt. Der bedeutendste Absatzmarkt der
Produkthersteller ist mit 47 % der Verkehrssektor (Abbildung 2-1).
Abbildung 2-1: Absatzmärkte für Aluminiumprodukte in Deutschland 2019 [Alu22]
Die hergestellten und Aluminiumknetlegierungen werden im Rahmen der DIN EN 573-
3 hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung genormt und unterteilt. Die
Unterscheidung erfolgt entsprechend des Hauptlegierungselements, welches
maßgeblich die Härtbarkeit sowie die mechanischen Eigenschaften beeinflusst
(Tabelle 2-1). Im Automobilbau finden vorrangig Legierungen der 5xxx, 6xxx und 7xxx
Serie bei der Fertigung von Strukturbauteilen (beispielsweise Querlenker aus EN AW -
6082) und Blechen für die Karosserie Anwendung [Ost15].
Zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften erfahren aushärtbare
Aluminiumknetlegierungen häufig vor oder nach dem Schweißen aufwendige und
komplexe Wärmebehandlungen. Die Wärmebehandlungen sind nach DIN EN 515
genormt und werden der Legierungsbezeichnung ergänzt. Der am häufigsten
verwendete Zustand ist T6 (lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert),
welcher die maximal erreichbare Härte und einhergehend die höchste Zugfestigkeit der
Legierung kennzeichnet.
Der Gefügezustand von nicht aushärtbaren Legierungen kann ebenfalls durch
Kaltverfestigung oder weichglühen verändert werden. Die Zustände sind ebenfalls in
DIN EN 515 geregelt. An dieser Stelle sei insbesondere auf den Zustand F verwiesen,
welcher den Herstellungszustand ohne festgelegte Festigkeitsgrenzwerte regelt.
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