Erste Untersuchungen, die sich gezielt mit der Elektrodenkraft beim Widerstansschweißen befassen, stammen aus den frühen 1960ern sowie der Mitte der 1970er Jahre und spiegeln den damaligen Stand der Forschung hinsichtlich eingesetzter Anlagentechnik, Untersuchungswerkstoffen und Prozessbewertung wider. Neuere Untersuchungen mit dem Schwerpunkt des Elektrodenkrafteinflusses sind ab dem Jahr 2000 vermehrt zu finden. Fortschritte in der Schweißprozessüberwachung und der Prozessdatenanalyse sowie die Möglichkeiten der Schweißprozesssimulation ermöglichen Untersuchungen zur Vertiefung des Prozessverständnisses. Der aufbereitete Stand der Technik zum Einfluss einer veränderlichen Elektrodenkraft im Schweißprozessablauf dokumentiert einen unvollständigen Kenntnisstand zu diesem Thema. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, auf Basis einer Prozessanalyse den Einfluss der Elektrodenkraft beim Widerstandspunktschweißen von beschichtetem 22MnB5 zu beschreiben, um wesentliche Bedingungen zur Auslegung von Kraftprofilen zu identifizieren und experimentell zu untersuchen. Ferner soll anhand praxisrelevanter Störgrößen die Tauglichkeit eines Widerstandspunktschweißprozesses mit Kraftprofil zur Verbesserung der Prozessstabilität qualifiziert werden. Unter dem Gesichtspunkt des weiter zunehmenden Einsatzes hoch- und höchstfester sowie formgehärteter Stahlgüten für komplexe Karosseriestrukturbauteile wurde der borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung für die Untersuchungen ausgewählt. Durch einen vorgelagerten Wärmebehandlungsprozess besitzt dieser Werkstoff ein komplexes Anforderungsprofil für den Widerstandsschweißprozess, was sich insbesondere in geringen Schweißbereichsgrößen und unstetem Schweißspritzerauftreten widerspigelt.
Aktualisiert: 2023-03-29
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Die im Automobilbau eingesetzten Multi-Materialbauweisen, welche eine Aluminium-Außenhaut mit pressgehärteten Stahlprofil-Strukturen kombinieren, stellen hohe Anforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Etablierte einseitige mechanische Fügeverfahren sind aufgrund der hohen Werkstofffestigkeit des Stahlfügepartners nicht einsetzbar. Eine sehr gute Eignung bei bisher zweiseitiger Zugänglichkeit besitzt das Nietpunktschweißen.
In dieser Arbeit wird das Nietpunktschweißen zu einer einseitigen Verfahrensvariante weiterentwickelt und so eine Fügetechnologie zum prozesssicheren Verbinden artverschiedener Werkstoffe unter einseitiger Zugänglichkeit geschaffen. Dazu werden zunächst Anforderungen an das einseitige Nietpunktschweißen identifiziert. Durch die Analyse der Verbindungsentstehung wird die Beschreibung zugrundeliegender Ursache-Wirkungs-Mechanismen ermöglicht. Anschließend wird der Einfluss der einseitigen Prozessführung auf die Verbindungsausbildung in Abhängigkeit der Prozessgrößen bewertet. Im nächsten Schritt wird die Prozessführung unter Berücksichtigung der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften optimiert. Es werden angepasste Prozessfenster für unterschiedliche Stahlwerkstoffe sowie Beschichtungen abgeleitet. Nachfolgend wird die Prozessfähigkeit unter Einwirkung von produktionsrelevanten Störgrößen abgesichert. Die entwickelte Fügetechnologie wird abschließend auf ein realitätsnahes Demonstratorbauteil übertragen und so der Nachweis zur Funktionstauglichkeit erbracht.
Aktualisiert: 2023-01-18
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Moderne Warmformstähle benötigen Lösungen zur Integration tragfähiger Gewinde in dünnwandig ausgeführte Blechbauteile. Schweißmuttern stellen den Stand der Technik dar, sind jedoch aufgrund der prozessbedingten Wärmeeinbringung in die Fügezone als kritisch zu bewerten. Einen effizienten Ansatz zur Verkürzung der Prozesskette bei der Bauteilherstellung bildet das umformtechnische Fügen von Stanzmuttern während des Formhärtens. Die hohen Fügekräfte, welche bereits zur Ausbildung geringer Hinterschnitte notwendig sind, stellen jedoch eine große Herausforderung dar, welcher ebenfalls unter dem Aspekt einer Serientauglichkeit begegnet werden muss. Zur Analyse des Herstellungsprozesses wird ein Versuchswerkzeug entwickelt, mit welchem das Fügen von Stanzmuttern bei unterschiedlichen Blechtemperaturen im Labormaßstab umgesetzt wird. Unter Berücksichtigung des Fügeprozesses bei Raumtemperatur wird das Prozessverständnis für das Fügen bei hohen Blechtemperaturen aufgebaut. Mithilfe metallografischer Untersuchungen werden werkstoffphänomenologische Effekte durchdrungen, welche durch die Phasentransformationen während der Abkühlung im Blechwerkstoff erfolgen. Die hergestellten Verbindungen werden hinsichtlich der sich ausbildenden Verbindungsmerkmale bewertet und ein Prozessfenster abgeleitet. Eine Bewertung des mechanischen Eigenschaftsprofils der während des Formhärtens hergestellten Stanzmutterverbindungen erfolgt anhand von Tragfähigkeitsuntersuchungen. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse kann ein hohes Einsatzpotenzial der neuartigen Prozesskombination bestätigt werden, wodurch eine Steigerung der Effizienz in der Herstellung formgehärteter Bauteile realisierbar ist.
Aktualisiert: 2022-09-01
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22MnB5 ist ein Beispiel für einen vollmartensitischen Stahl, der in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Presshärten erreicht. Dazu werden Bleche austenitisiert und danach simultan umgeformt und abgeschreckt. Um Zunderbildung zu vermeiden, wird 22MnB5 mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung versehen, die als Korrosionsschutz auf der Blechoberfläche verbleibt.
Bei der schweißtechnischen Verarbeitung ergeben sich im Fall des Laserstrahlschweißens zwei Problematiken. Zum Ersten wird die Aluminium-Silizium (AlSi) Beschichtung in die Schweißnaht eingebracht, wo sie teilweise im Schmelzbad aufgemischt und teilweise an der Schmelzlinie abgelagert wird. Dadurch entsteht eine metallurgische Kerbe, die einen signifikanten Verlust an Festigkeit und in Zugversuchen eine Rissinitiierung an der Schmelzlinie mit sich bringt. Die zweite wesentliche Herausforderung stellt der Festigkeitsverlust in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißnaht dar, der aufgrund der Wärmeeinbringung entsteht. In Zugversuchen an Blechen, die ohne AlSi-Beschichtung geschweißt wurden, tritt der Riss in der Wärmeeinflusszone ein. Die lokale Schwächung der WEZ ist im aktuellen Stand der Technik in Bezug auf das entstehende Gefüge nur unzureichend charakterisiert, die Materialeigenschaften ebenso wenig quantifiziert. Beide Problematiken werden eingehend untersucht. Im Fall der Aluminium-Silizium-Ablagerung erfolgt eine eingehende Charakterisierung. Weiterhin wird eine Methodik vorgestellt, die ohne Entfernen der Beschichtung Festigkeiten auf dem Niveau unbeschichteter Bleche erreicht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Hauptteil der Untersuchungen auf die Entfestigungsproblematik zu konzentrieren.
Verschiedene Experimente zur Verbesserung der Entfestigungsproblematik in der WEZ zeigen bisher keinen Erfolg. Daher werden die Effekte der Entfestigung eingehend untersucht und erläutert. Weiterhin wird eine Anlage entwickelt, mit der dem Laserstrahlschweißprozess ähnliche Temperatur-Zeit-Verläufe, wie sie in der WEZ auftreten, in Bauteilproben nachgebildet werden können. Im Folgenden werden Zugversuche an den Proben mit definiert eingestellten WEZ-Gefügen durchgeführt. Dadurch ergibt sich ein detailliertes Bild der mechanisch-technologischen Eigenschaften der gesamten WEZ an laserstrahlgeschweißtem, pressharten 22MnB5. Die generierten Kennwerte werden in einem weiterführenden Forschungsprojekt genutzt, um eine Verbesserung der Ergebnisse von FEM-Crashsimulationen zu erreichen.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei alternative Verfahren der Warmblechumformung zur Erzeugung lokal angepasster Bauteileigenschaften entwickelt und untersucht. Mit der Prozesskette der Warmumformung mit anschließender Wärmebehandlung soll die Haltezeit im Werkzeug verkürzt und so eine Produktionssteigerung erzielt werden. Außerhalb der Presse ist somit das Einstellen spezifischer Gefügezustände in einem Bauteil möglich. Mit dem Verfahren des Gleitziehbiegens mit gleichzeitiger Wärmebehandlung soll die Variantenvielfalt höchst- und ultrahöchstfester Bauteile erhöht werden. In simulativen und experimentellen Versuchen werden die Prozessgrenzen der neuen Verfahren aufgezeigt. Im Rahmen umfangreicher Bauteil- und Prozessanalysen werden die neuen Prozessketten bewertet und die Vor- und Nachteile aufgezeigt. Mit diesen zwei neuen Verfahren sollen ultrahöchstfeste Bauteilbereiche und Bauteilbereiche mit einer höheren Duktilität und damit einhergehend einer höheren absorbierbaren Deformationsenergie in einem Bauteil erzeugt werden.
Aktualisiert: 2020-01-01
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In dieser Arbeit wird ein neuartiges Oxidationsschutzsystem für das Presshärten von Stahlbauteilen auf Basis von oxidischen Nanopartikeln entwickelt und hinsichtlich der geforderten Eigenschaften für den Presshärteprozess und die folgenden Weiterverarbeitungsschritte untersucht. Bei dem Schichtsystem, den sog. "Multilayer-Ceramic-Coatings" (MLCC), handelt es sich um einen mehrschichtigen Aufbau, bei dem jeder Schicht eine andere Aufgabe/Eigenschaft zukommt. Während die Grundschicht einen Haftverbund zum Substrat herstellen und durch frühzeitiges Erweichen den Oxidationsschutz sowie die Umformung verbessern soll, ist es die Aufgabe der Deckschicht, Anhaftungen an Ofenrollen bzw. Manipulatoren oder dem Werkzeug zu vermeiden und einen weiteren Oxidationsschutz zu gewährleisten. Zusätzlich kann eine weitere Schicht als Haftvermittler aufgetragen werden.
Die Beschichtung kann das Substrat während des Austenitisierens bei 950°C für das Presshärten vor Oxidation schützen und auch größtenteils rissfrei umgeformt werden. Ausbrüche der Beschichtung können, je nach Beschichtungs- und Austenitisierbedingungen, weitestgehend vermieden werden.
Obwohl sich die Beschichtungen mittels Widerstandspunkt- und Laserstrahlschweißen fügen lassen, ist die Schweißeignung auf Grund des geringen Schweißbereiches als nicht zufriedenstellend zu bezeichnen, was durch die schlechte Leitfähigkeit der Beschichtung zu begründen ist. Dennoch kann eine KTL-Schicht aufgetragen werden, die als Gesamtsystem zu einer guten Korrosionsbeständigkeit in wässrigen Medien führt.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei alternative Verfahren der Warmblechumformung zur Erzeugung lokal angepasster Bauteileigenschaften entwickelt und untersucht. Mit der Prozesskette der Warmumformung mit anschließender Wärmebehandlung soll die Haltezeit im Werkzeug verkürzt und so eine Produktionssteigerung erzielt werden. Außerhalb der Presse ist somit das Einstellen spezifischer Gefügezustände in einem Bauteil möglich. Mit dem Verfahren des Gleitziehbiegens mit gleichzeitiger Wärmebehandlung soll die Variantenvielfalt höchst- und ultrahöchstfester Bauteile erhöht werden. In simulativen und experimentellen Versuchen werden die Prozessgrenzen der neuen Verfahren aufgezeigt. Im Rahmen umfangreicher Bauteil- und Prozessanalysen werden die neuen Prozessketten bewertet und die Vor- und Nachteile aufgezeigt. Mit diesen zwei neuen Verfahren sollen ultrahöchstfeste Bauteilbereiche und Bauteilbereiche mit einer höheren Duktilität und damit einhergehend einer höheren absorbierbaren Deformationsenergie in einem Bauteil erzeugt werden.
Aktualisiert: 2019-11-07
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definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren.
Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen.
Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin.
Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird.
Aktualisiert: 2021-09-10
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In dem hohen Festigkeitsbereich formgehärteter Vergütungsstähle besteht unter den Bedingungen Wasserstoffeintrag und durch Passungenauigkeiten entstehende Zugspannungen nach dem Schweißen potentiell das Risiko wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung. In dieser Arbeit wird entlang der Prozesskette Presshärten-Schweißen-Kathodische Tauchlackierung (KTL) das Wasserstoffaufnahmepotential des Untersuchungswerkstoffs 22MnB5 mit und ohne Al-Si-Überzug überprüft. Bei der Wasserstoffaufnahme liegt das Hauptaugenmerk auf technologischen Einflüssen und Umgebungsbedingungen, die für die Austenitisierung der Platinen während des Presshärtens und für anschließende automobilbaurelevante Schweißverfahren (Widerstandspunkt- und MSG-Schweißen) bedeutsam sind.
Für die Quantifizierung des Wasserstoffs wird auf das Messverfahren der Trägerheißgasextraktion zurückgegriffen, der genaue Nachweis kleinster Wasserstoffmengen erfolgt unter Verwendung eines Quadrupol-Massenspektrometers. Nach der empirischen Bestimmung von Aktivierungsenergien und Diffusionskoeffizienten erfolgt die Betrachtung der Wasserstoffeffusion, die in starkem Maße von der Art des Überzugs des borlegierten Vergütungsstahls abhängig ist. Darüber hinaus kann über die Umgebungstemperatur Einfluss auf die Effusion des Wasserstoffs genommen werden.
Um die festigkeitsreduzierende Wirkung durch diffusiblen Wasserstoff in Schweißverbindungen prüfen zu können, wird eine fremdbeanspruchte Kaltrissprüfvorrichtung, die auf den mechanischen Grundlagen des Vier-Punkt-Biegeversuchs basiert, verwendet. Es konnten Zusammenhänge zwischen der Wasserstoffkonzentration und der Rissbildung von geschweißten Probe aus dem pressgehärteten Werkstoff 22MnB5 unter Verwendung dieser Prüfvorrichtung ermittelt werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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