SB_20364NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung und Bewertung
der Mischbruchneigung
von
Widerstandspunktschweißverbindungen
in hochfesten Stählen

Untersuchung und Bewertung
der Mischbruchneigung von
Widerstandspunktschweißverbindungen
in hochfesten
Stählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.364 N
DVS-Nr.: 04.3043
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.364 N / DVS-Nr.: 04.3043 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
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 573
Bestell-Nr.: 170683
ISBN: 978-3-96870-573-6
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 /
Content
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................................................................ 1
1.1 Problemstellung ............................................................................................... 1
1.2 Zielsetzung ...................................................................................................... 2
2 Stand der Technik ............................................................................................... 3
2.1 Identifikation von Rissinitiierung am Schweißpunkt ......................................... 5
2.2 Numerische Simulation des Verformungs- und Versagens-verhaltens
von Widerstandspunktschweißverbindungen .................................................. 7
3 Untersuchung der Rissinitiierung an Punktschweißverbindungen .................... 10
3.1 Rissfortschrittsmessungen an Punktschweißverbindungen (AP1) ................ 10
3.2 Einfluss der Temperatur auf die Bruchzähigkeit (AP2) .................................. 17
3.3 Einfluss der Schweißparameter auf die Mikrostruktur und Bruchzähigkeit
(AP3) 18
3.4 Einfluss der Blechdicke und Blechfestigkeit (AP 4) ....................................... 21
3.5 Berechnung der Tragfähigkeit eines duktilen Ausknöpfbruchs (AP5) ............ 29
4 Zusammenfassung ........................................................................................... 35
5 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 36
I

Einleitung
1 Einleitung
Die Anforderungen an moderne Karosseriekonzepte bezüglich Energie- und
Ressourceneffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheitsstandards führen
vermehrt zu einer Substitution konventioneller Karosseriestähle durch hochfeste Mehrund
Martensitphasenstähle. Durch geeignete Wärmebehandlung der Gefüge während
der Stahlerzeugung oder bei der Bauteilfertigung (z.B. Warmumformen und
Presshärten) bieten diese Stahlgüten ein breites Spektrum mechanischer
Eigenschaften, die durch eine anwendungsspezifische Werkstoffauswahl zur
Reduktion des Karosseriegewichts und einer Verbesserung des Crashverhaltens
beitragen können.
Aufgrund seines hohen Automatisierungsgrads, der Prozesssicherheit und der damit
verbundenen Wirtschaftlichkeit, stellt das Widerstandspunktschweißen das
dominierende Fügeverfahren im stahlbasierten Karosseriebau dar. Neben den
mechanischen Eigenschaften der Stahlbleche spielen insbesondere auch deren
Verbindungseigenschaften eine zentrale Rolle für das Crashverhalten von
Fahrzeugstrukturen.
1.1 Problemstellung
Optimale Punktschweißprozesse müssen hinreichend große Schweißbereiche und
Elektrodenstandzeiten aufweisen, sowie die Lastübertragung unter quasi-statischen,
zyklischen und dynamischen Beanspruchungen durch ausreichende
Verbindungsfestigkeiten sicherstellen. Als Qualitätsmerkmal der Verbindung gilt unter
Praktikern das Auftreten von Ausknöpfbrüchen (siehe Abbildung 1 (i), (ii)) in Meißel-,
Scher- und Kopfzugprüfungen. Punktschweißverbindungen in konventionellen
Tiefziehstählen zeigen nahezu ausschließlich Ausknöpfbrüche [1] [2]. In hochfesten
Stählen treten daneben auch gemischte Bruchformen mit komplexen Risspfaden,
sogenannte Mischbrüche sowie Fügeebenenbrüche (Scherbrüche) auf (vgl. Abbildung
1 (iii) bis (v)). Die dabei auftretenden Schädigungs- und Bruchmechanismen, sowie
deren Entwicklung während der Beanspruchung sind bislang nur an einzelnen
beispielhaften Verbindungen untersucht [3] [5]. Z.B. wurde im abgeschlossenen
österreichischen COMET K-Projekts Join4+ [4] Schweißpunkte in HCT980X
untersucht. Systematische Untersuchungen der Haupteinflussfaktoren, die dieses
Bruchverhalten begünstigen oder verursachen, existieren nicht. Des Weiteren ist
unklar, ob mit dem Auftreten solcher Brucharten Tragfähigkeitseinbußen und
reduziertes Energieabsorptionsvermögen im Vergleich zu einem duktilen
Ausknöpfbruch einhergehen. Also ob und wieviel höhere Kräfte und Energieabsorption
in punktgeschweißten Konstruktionen erzielbar wären, wenn hochfeste Stähle ihr
Festigkeitspotential unter Normalbeanspruchung der Schweißverbindungen
ausschöpfen könnten.
In der Praxis wird daher vielfach eine zeit- und kostenintensive Optimierung der
Schweißparameter durchgeführt, um ein Ausknöpfen von Schweißpunkten in
hochfesten Stählen zu erreichen, d.h. den gewohnten und als „gut“ eingestuften
Ausknöpfbruch zu erhalten. Diese Optimierung gelingt teilweise nicht, oder nur mit
1

Einleitung
großem Aufwand und „untypischen“ d.h. ungeeigneten Schweißparametern für die
Serienfertigung (sehr lange Schweißzeiten, viele Pulse, Nachwärmen) [6] [7] [8]. In
solchen Fällen wird z.B. die Schweißpunktanzahl pro Flanschlänge erhöht, was mit
verlängerten Fertigungszeiten verbunden ist und damit ebenfalls wirtschaftliche
Nachteile mit sich bringt.
Abbildung 1: Bruchformen von Punktschweißverbindungen nach Normalbeanspruchung (Kopfzug):
Ausknöpfbrüche im Grundwerkstoff (i) und der Wärmeeinflusszone (ii), Mischbrüche (iii, iv) und
Fügeebenenbruch (bzw. Scherbruch) (v)
Punktgeschweißte Flansche sollen nach gängiger Konstruktionslehre [9] so ausgeführt
werden, dass sie auf Scherung belastet werden, da hier die höchsten Festigkeiten
vorliegen. Dieses Prinzip kann nicht durchgehend wirtschaftlich umgesetzt werden.
Unter Normalbelastung, d.h. im Kopfzug, sind die Festigkeiten niedriger, was auch als
Kopfzugempfindlichkeit bezeichnet wird. Bei Deformation von Crashboxen treten z.B.
in ihren Flanschen komplexe, kombinierte Belastungen auf, bei denen die
Schweißpunkte auch durch hohe Kopf- und Schälzugbelastungen beansprucht
werden. Konstruktive Lösungen zur Vermeidung dieser Belastungen wären in vielen
Fällen nur mit sehr großer Bauteilkomplexität und geringer Materialeffizienz umsetzbar
und damit unwirtschaftlich. Mehr Kenntnis und Basiswissen über die Entstehung und
die entscheidenden Einflussfaktoren für das Auftreten der Brucharten Misch- und
Fügeebenenbruch sind die ersten grundlegenden Schritte, um Konstruktionsweisen
und/oder Prozessparameter zu erarbeiten, die diese Bruchphänomene reduzieren oder
gar vermeiden können.
1.2 Zielsetzung
(i)
(i) (ii) (iii) (iv) (v)
Ziel des Projekts ist, die Entwicklung einer Bewertungsmethode, die die
„Mischbruchneigung“ d.h. die Neigung zur Rissinitiierung in der Fügeebene eines
Schweißpunkts unter quasi-statischer Belastung beschreibt. Bei Misch- und
Fügeebenenbrüche initiiert der Riss an der Fügespaltwurzel und breitet sich unter
Normalbeanspruchung bzw. anteiliger Normalbeanspruchung in die Schweißlinse aus.
Zu zeigen ist, dass die Bruchzähigkeit des Schweißlinsengefüges der
Werkstoffkennwert zur belastungsabhängigen Vorhersage der Mischbruchneigung ist.
Durch unterbrochene Kreuzzugversuche mit dem Potentialsondenverfahren wird die
Rissinitiierung und daraus die Bruchzähigkeit des Schweißlinsengefüges durch
bruchmechanische Ansätze bestimmt. Dies soll hauptsächlich bei Raumtemperatur
(RT) erfolgen, aber auch bei zwei weiteren Temperaturen von -35°C und +85°C. Da
die Bruchzähigkeit temperaturabhängig ist, wird auch die Mischbruchneigung von der
Temperatur abhängen. Des Weiteren muss die lokale Beanspruchung am Fügespalt
und deren Umgebung ermittelt und bewertet werden. Diese hängt von den lokalen
mechanischen Werkstoffeigenschaften und der geometrischen Ausbildung der
Verbindung ab.
2

Stand der Technik
2 Stand der Technik
Die Tragfähigkeit von Punktschweißverbindungen wird mit Proben bestimmt, in denen
ein einzelner Schweißpunkt vorliegt. Nach DVS Merkblatt 2916-1 [10] werden hierfür
die in Abbildung 2 gezeigten Scher-, Kreuz- und Schälzugproben eingesetzt. Die
Tragfähigkeit wird mit ihnen abhängig von der Belastungsrichtung, d.h. bei Scher-,
Normal- und einseitiger Normalbelastung (Biegung) bzgl. der Verbindungsebene
ermittelt.
Abbildung 2: Probenformen von Scherzug-, Schälzug- und Kreuzzugproben (von links nach rechts).
Die Pfeile kennzeichnen die Belastungsrichtung.
Die mechanische Prüfung der Punktschweißverbindung resultiert in einem Versagen
des Schweißpunkts, das beeinflusst durch verschiedene Faktoren in unterschiedlichen
Erscheinungsformen (vgl. Abbildung 3) auftreten kann.
Abbildung 3: Brucharten und deren schematische Erscheinungsform nach [10]
Grundsätzlich angestrebt wird das Auftreten des Ausknöpfbruchs. Diese Bruchart wird
als Qualitätsmerkmal einer Verbindung angesehen und gilt als Indikator für die Eignung
hohe Kräfte zu übertragen, hohe plastische Deformationen in den gefügten Blechen zu
erzeugen und damit hohe Energieabsorptionen der Verbindung sicherzustellen [11].
Andere Bruchformen, insbesondere Misch- und Scherbrüche, werden mit
unzureichenden Schweißparametern [12], zu kleinen Schweißlinsen, Schweißfehlern
[13] und gegenüber Ausknöpfbrüchen niedrigeren Tragfähigkeiten und
Energieabsorptionen [14] [15] [16] in Verbindung gebracht. Für punktgeschweißte
hochfeste Stähle werden nach der Prüfung häufig keine Ausknöpf-, sondern Scheroder
Mischbrüche beobachtet. Um diese zu vermeiden, wurden in [7] [6]
Stromprogramme mit gegenüber dem Schweißstrom erhöhten Nachwärmströmen
eingesetzt. Hierdurch konnte das Bruchverhalten erfolgreich von Scher- und
Mischbrüchen zum Ausknöpfen der Schweißpunkte geändert werden. Es zeigte sich
3