Beurteilung der Beanspruchung von Elektrodenkappen beim Widerstandspunktschweißen von höher- und höchstfestem Stahl Kurzfassung Die Möglichkeit zur Reduzierung der thermischen Beanspruchung der Elektrodenkappen durch die Erhöhung der Kühlwasserdurchflussmenge wird durch Reihenschweißungen an höherfestem Stahl verifiziert. Eine Vergrößerung der abgeführten Wärmeenergie über das Kühlwasser infolge einer Volumenstromerhöhung wird ermittelt. Mit abnehmendem Volumenstrom ergeben sich zum Ende von Reihenschweißungen geringere Schweißlinsendurchmesser. In Reihenschweißungen mit halbgefrästen Elektroden ergeben sich bei gleicher Parametrierung größere Endlinsendurchmesser. Die Auswirkung der Durchflussmengenänderung auf die Arbeitsflächenverformung wird durch Standmengenversuche beim Widerstandspunktschweißen von pressgehärtetem Stahl validiert. Die in der internationalen Literatur bisher nichtbekannte Verschleißerscheinungsform der Plateaubildung wird analysiert. Die Entstehung des Plateaus zeigt innerhalb der Standmengenversuche keine Korrelation zur Durchflussmenge des Kühlwassers. Mit der Messmethodik der Strahlungsmessung am Halbschnittmodell ist es erstmalig möglich die Temperaturen im Bereich der Elektrodenarbeitsfläche während des Widerstandspunktschweißprozesses zu ermitteln. Beim Widerstandspunktschweißen von pressgehärtetem Stahl werden im Vergleich zu höherfestem verzinkten Stahl, trotz Erzeugung gleicher Schweißlinsendurchmesser, höhere Temperaturen ermittelt. An eingeschweißten Elektrodenkappen werden im Vergleich zu Elektroden im ungenutzten Zustand höhere Arbeitsflächentemperaturen gemessen. Durch die Strahlungsmessung am Halbschnittmodell wird die Auswirkung des Peltier-Effekts mit verschlissenen Elektrodenkappen erstmalig beim Widerstandspunktschweißen von Stahl visualisiert. Neben der Ermittlung der Elektrodenkappentemperatur eignet sich die Messmethodik der Strahlungsmessung am Halbschnittmodell zur Visualisierung der Wärmeentwicklung in der Fügezone. Die innerhalb der Arbeit formulierten Maßnahmen zur Steigerung der Lebensdauer von Elektrodenkappen beim Widerstandspunktschweißen sind technisch belastbar. Diese Arbeit leistet einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Widerstandspunktschweißtechnik.
Aktualisiert: 2023-05-15
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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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Beim Widerstandspunktschweißen (WPS) verzinkter hochfester Stahlgüten (engl. Advanced High Strength Steels – AHSS) kann es zum Auftreten von durch Flüssigmetallversprödung (engl. Liquid Metal Embrittlement – LME) verursachten Rissen kommen. Die Risse entstehen infolge der im Prozess vorherrschenden Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Spannung. Sie werden als Qualitätsmangel betrachtet und schränken daher den Einsatz der AHSS ein.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Prozessstrategien entwickelt, welche die Erzeugung von rissfreien Punktschweißverbindungen ermöglichen. Zunächst werden die Anwendungsgrenzen bestehender Vermeidungsansätze ermittelt und prozessseitige Einflussfaktoren auf die LME-bedingte Rissbildung identifiziert. Im anschließenden Schritt erfolgt die Analyse grundlegender Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge und die Entwicklung einer Vorgehensweise zur gezielten und reproduzierbaren Rissvermeidung. Es wird nachgewiesen, dass durch die Anwendung der optimierten Prozessstrategien ein Auftreten von Rissen zuverlässig verhindert werden kann. Ergänzend zeigt eine Validierung mithilfe zerstörender Prüftechniken, dass die Verbindungstragfähigkeit der optimierten Schweißverbindungen derjenigen von nicht verzinkten und somit LME- und rissfreien Verbindungen entspricht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend in Form einer Handlungsempfehlung zusammengefasst.
Aktualisiert: 2022-11-10
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Widerstandspunktschweißen (WPS) gehört durch die hohe Effizienz und Robustheit zu den wichtigsten Schweißverfahren in der blechverarbeitenden Industrie. Der steigende Einsatz höherfester, verzinkter Stähle stellt das WPS vor fügetechnische Herausforderungen. Auf der Schweißpunktoberfläche und in der Fügeebene dieser Verbindungen wird von Liquid Metal Embrittlement (LME)-Rissen berichtet, welche die Verbindungsfestigkeit potenziell einschränken. Bei diesem Modus der Rissbildung bilden sich während des WPS schmelzflüssige Phasen, z.B. aus dem zinkhaltigen Überzug. Unter thermomechanischer Beanspruchung dringen diese Phasen entlang der Korngrenzen in den Werkstoff ein und führen zu einer Schwächung desselben, sodass es bei vergleichsweise geringer Belastung zur Rissbildung kommen kann.
Diese Arbeit verfolgt das Ziel, die LME-Sensitivität eines sensitiven Stahl-Auflage-Systems durch die Anpassung des Beschichtungssystems zu reduzieren. Hierbei stellten sich Warmzugversuche, die den komplexen WPS-Prozess abbilden, als zielführende Methode zur Trennung der prozesstechnischen von den werkstofflichen Einflüssen heraus. Die Anpassung des Beschichtungssystems erfolgte anhand von Glüh- und Beschichtungsversuchen. Die Wirksamkeit der Anpassungen wurde mithilfe der Warmzugversuche, analytischer Untersuchungen und in WPS-Experimenten bestätigt. Die Vorgehensweise ermöglicht die Identifikation und Reduzierung von LME-Risiken und ist bereits während des Produktentwicklungsprozesses nutzbar.
Aktualisiert: 2022-09-15
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Die Dissertation beschäftigt sich mit der numerischen Simulation des Widerstandspunktschweiß- und Widerstandspunktschweißklebeprozesses von Aluminiumlegierungen. Dabei wird eine Methode zur Modellierung der Schweißprozesse mit dem Ziel einer digitalen Abbildung der Schweißlinsenentstehung aufgebaut und validiert.
Hierzu werden im ersten Schritt die eingesetzten Aluminiumlegierungen AA5182 und AA6014 sowie der eingesetzte Strukturklebstoff experimentell charakterisiert. Anschließend werden die Randbedingungen des Temperaturfeldes untersucht und kalibriert.
Im folgenden Schritt wird der Widerstandspunktschweißprozess mit instrumentierten Schweißversuchen analysiert sowie ein FE-Modell aufgebaut und umfassend validiert. Wesentliches Element des Modells stellt ein neues Kontaktwiderstandsmodell dar, welches das Verhalten des elektrischen Kontaktes unter schweißtypischer Beanspruchung für Aluminiumoberflächen abbilden kann. Zudem wird der Einfluss unterschiedlicher Schweißparameter, Werkstoffe, Oberflächenzustände, Spalte und Elektrodenkühlung auf die Schweißlinsengröße experimentell und numerisch analysiert.
Abschließend werden die Auswirkungen einer Klebstoffzwischenschicht auf den Schweißprozess (Widerstandspunktschweißkleben) untersucht und das FE-Modell dahingehend erweitert. Hierzu gehört sowohl die Integration eines Klebstoffspaltes als auch die Erweiterung des Kontaktwiderstandsmodells.
Aktualisiert: 2022-04-14
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Gesetzliche Rahmenbedingungen zum Klimaschutz führen im Automobilsektor zu einer immer wichtiger werdenden Rolle des Leichtbaus. Um die Ziele der Ressourceneffizienz auch unter wirtschaftlichen Aspekten erreichen zu können, werden moderne Fahrzeugkarosserien in der sogenannten Mischbauweise ausgeführt. Hierbei geht die höchste Gewichtsersparnis mit endlosfaserverstärkten Bauteilen einher, welche in der Großserie bevorzugt im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren) hergestellt werden. Dem Fügen der Karosseriebauteile kommt eine besondere Rolle zu, wobei das Widerstandspunktschweißen aufgrund des hohen Automatisierungsgrads und den geringen Kosten pro Fügepunkt bevorzugt wird. Eine vielversprechende Möglichkeit das Widerstandspunktschweißen auch für FVK/Metall-Verbindungen zu befähigen stellen punktschweißbare Inserts dar. Mit dem Ziel der Erweiterung des RTM-Verfahrens zur Herstellung punktschweißbarer FVK/Metall-Bauteile und deren schädigungsfreie Anbindung an metallische Tragstrukturen erfolgt im Rahmen dieser Arbeit zunächst eine Bewertung von Prozessgrößen auf Temperaturmaxima. Anschließend wird das RTM-Verfahren zur Herstellung punktschweißbarer FVK/Metall-Bauteile befähigt und praxisnah erprobt. Im letzten Schritt wird eine Methodik zur schädigungsfreien Gestaltung der Fügestelle entwickelt und validiert, wobei ein Finite-Elemente Modell eine Temperaturvorhersage während des Punktschweißens auf Basis einer analytischen Faserverlaufsbeschreibung ermöglicht. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit lässt sich das Widerstandspunktschweißen innerhalb der FVK/Metall Mischbauweise einsetzen, wobei der Konstrukteur auf bereits etablierte Methoden zur Auslegung der Fügestelle zurückgreifen kann.
Aktualisiert: 2022-04-14
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Kontinuierliche Weiterentwicklung von Leichtbauweisen ist im Hinblick auf Ressourcenschonung, Energieeinsparung und Wirtschaftlichkeit eine Notwendigkeit, anspruchsvolle ökologische und ökonomische Ziele sowie gesetzliche Vorgaben zu erreichen. Vor diesem Hintergrund sind insbesondere die Branchen Automobil sowie Luftfahrt- und Schienenverkehrsindustrie an fortschrittlichen Leichtbaulösungen interessiert. Strukturierte Bleche besitzen regelmäßig angeordnete Versteifungselemente, die eine erhöhte Biegesteifigkeit bewirken. Dadurch wird eine Reduzierung des Bauteilgewichts ermöglicht oder bei gleicher Dicke eine Erhöhung der Steifigkeit von Baugruppen erzielt. Damit diese Bleche in den genannten Branchen eingesetzt werden können, müssen Fragen zum halbzeuggerechten Zuschnitt und zum Fügen strukturierter Bleche beantwortet werden. Diese Arbeit gibt Aufschluss über die Schweißbarkeit strukturierter Bleche. Im Vordergrund der Arbeit wurden das Widerstandspunkt- und das Metall-Schutzgasschweißen für strukturierte Bleche qualifiziert. Zu den Schweißverfahren werden Vorgehensweisen zum strukturgerechten Zuschnitt, zur Positionierung und zum Spannen gegeben und zukünftigen Anwendern Schweißparameter zur Verfügung gestellt. Durch statische Festigkeitsprüfungen werden Nachweise über die Qualität der erzeugten Verbindungen geführt. Vergleiche zu ebenen Blechen legen die Unterschiede zu konventionellen Halbzeugen offen. Ein Überblick zu bereits bestehenden und während der Bearbeitungszeit neu entwickelten Anwendungen sollen Impulse für eine breite Anwendung strukturierter Bleche über die genannten Branchen hinaus geben.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die Arbeit befasst sich mit den standmengenreduzierenden Faktoren von Elektrodenkappen beim Widerstandspunktschweißen. Mit dem vermehrten Einsatz verschiedener Materialgüten im Fahrzeugbau, entstehen zunehmende Prozesskosten für das Fügeverfahren. Verallgemeinert hat jede Blechbeschichtungsart einen standmengenreduzierenden Einfluss.
Übliche Blechüberzüge sind Zink- oder Aluminium-Silizium-Beschichtungen. Diese Beschichtungen und der Blechwerkstoff selbst reagieren mit der Elektrodenkappe während des Schweißens, wodurch die Elektrodenkappen häufiger nachgefrässt und ausgetauscht werden müssen. Der Verschleiß einer Elektrodenkappe setzt sich aus ihrer Arbeitsflächenvergrößerung und der Legierungsbildung mit der Blechbeschichtung zusammen. Beides erhöht den Kontaktwiderstand der Elektrodenkappe mit der Blechoberfläche. Geeignete Legierungskonzepte der Elektrodenkappen begründen sich auf einer gesteigerten Warmhärte und der Reduktion der Diffusionsmenge von Fremdatomen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich kein Kappenwerkstoff (CuCrZr1, CuAg0,1, Nitrode) für das Fügen aller Blechwerkstoffe (HX340LAD+Z, 22MnB5+AlSi, AlMg3) eignet.
Weitergehend ist eine Analyse des Einflusses verschiedener Schweißparameter durchzuführen, im speziellen mit Impulsschweißungen, der diskontinuierlichen Schweißstromzuführung. Das Interesse liegt in der Standmengenänderung bei Variation der Schweißparameter. Die Betrachtung wird an einschnittigen und an mehrschnittigen asymmetrischen Blechkombination durchgeführt.
Der Anspruch, das Schweißlinsenwachstum zerstörungsfrei zu detektieren, wird durch die Messung des Spannungsabfalls zwischen den Fügeblechen realisiert. Anhand des Widerstandsverlaufs kann bestimmt werden, wann zwischen welchen Blechen zuerst eine Schweißlinse entsteht.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Ingenieurwissenschaften
Aktualisiert: 2020-07-14
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Mit einer modular aufgebauten C-Punktschweißzange mit wechselbaren Komponenten wird der Einfluss von verschiedenen Eigenschaften analysiert.
Aktualisiert: 2021-12-01
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Beurteilung der Beanspruchung von Elektrodenkappen beim Widerstandspunktschweißen von höher- und höchstfestem Stahl Kurzfassung Die Möglichkeit zur Reduzierung der thermischen Beanspruchung der Elektrodenkappen durch die Erhöhung der Kühlwasserdurchflussmenge wird durch Reihenschweißungen an höherfestem Stahl verifiziert. Eine Vergrößerung der abgeführten Wärmeenergie über das Kühlwasser infolge einer Volumenstromerhöhung wird ermittelt. Mit abnehmendem Volumenstrom ergeben sich zum Ende von Reihenschweißungen geringere Schweißlinsendurchmesser. In Reihenschweißungen mit halbgefrästen Elektroden ergeben sich bei gleicher Parametrierung größere Endlinsendurchmesser. Die Auswirkung der Durchflussmengenänderung auf die Arbeitsflächenverformung wird durch Standmengenversuche beim Widerstandspunktschweißen von pressgehärtetem Stahl validiert. Die in der internationalen Literatur bisher nichtbekannte Verschleißerscheinungsform der Plateaubildung wird analysiert. Die Entstehung des Plateaus zeigt innerhalb der Standmengenversuche keine Korrelation zur Durchflussmenge des Kühlwassers. Mit der Messmethodik der Strahlungsmessung am Halbschnittmodell ist es erstmalig möglich die Temperaturen im Bereich der Elektrodenarbeitsfläche während des Widerstandspunktschweißprozesses zu ermitteln. Beim Widerstandspunktschweißen von pressgehärtetem Stahl werden im Vergleich zu höherfestem verzinkten Stahl, trotz Erzeugung gleicher Schweißlinsendurchmesser, höhere Temperaturen ermittelt. An eingeschweißten Elektrodenkappen werden im Vergleich zu Elektroden im ungenutzten Zustand höhere Arbeitsflächentemperaturen gemessen. Durch die Strahlungsmessung am Halbschnittmodell wird die Auswirkung des Peltier-Effekts mit verschlissenen Elektrodenkappen erstmalig beim Widerstandspunktschweißen von Stahl visualisiert. Neben der Ermittlung der Elektrodenkappentemperatur eignet sich die Messmethodik der Strahlungsmessung am Halbschnittmodell zur Visualisierung der Wärmeentwicklung in der Fügezone. Die innerhalb der Arbeit formulierten Maßnahmen zur Steigerung der Lebensdauer von Elektrodenkappen beim Widerstandspunktschweißen sind technisch belastbar. Diese Arbeit leistet einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Widerstandspunktschweißtechnik.
Aktualisiert: 2023-04-17
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