Verfahrenserweiterung des Widerstands-Elementschweißens für stahlintensive Dreiblech Hybrid-Mischverbindungen mit zwei höchstfesten Stahlgüten in Mittel- und Basislage

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Kernthesen

  • Die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge beim dreilagigen Widerstandselementschweißen (WES) von Stahlgüten in Mittel- und Basislage können mittels wissenschaftlicher Methoden analysiert und Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden.
  • Die Problematik der Linsenauslegung beim Widerstandselementschweißen von Dreiblech-verbindungen, welche sich für den Linsendurchmesser vom Widerstandspunktschweißen (WPS) unterscheidet, kann durch Anpassungen der Hilfsfügeteilgeometrie sowie der Prozessparameter an die jeweilige Material-Dicken-Kombination gelöst werden.
  • Die steifigkeitsabhängigen Verbindungseigenschaften können mittels genormter Prüfverfahren analysiert, beschrieben und Handlungsempfehlungen abgeleitet werden.

Zusammenfassung

Im modernen Karosserieleichtbau werden neben unterschiedlichen Aluminiumwerkstoffen vermehrt Advanced High Strength Steels (AHSS) mit Zugfestigkeiten bis zu 2000 MPa eingesetzt. Infolge dieses Multi-Material-Designs entstehen Fragestellungen zum Fügen der physikalisch und chemisch ungleichen Werkstoffe. Das Widerstandselementschweißen (WES) ermöglicht die Erzeugung von thermisch gefügten Mischverbindungen von NE-Werkstoffen wie beispielsweise Aluminium mit Stahlwerkstoffen.

Durch die Einbringung eines Hilfsfügeteils in den NE-Werkstoff wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung erzeugt, woraufhin in einem nachgeschalteten Fügeprozess ein Stoffschluss zwischen Fügeelement und Stahlwerkstoff erzeugt wird. Die zunehmend höheren Crashanforderungen führen zu Bauweisen, die mindestens zwei höchstfeste Stahlgüten erfordern.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, ist sicherzustellen, dass die daraus resultierende Dreiblechverbindung mittels WES hinsichtlich Linsenausbildung sowie mechanisch-technologischer Verbindungseigenschaften realisiert werden kann. Der Beitrag befasst sich mit der experimentellen und simulativen Untersuchung des Widerstandselementschweißens für dreilagige Verbindungen. Dabei werden die auf dem Markt verfügbaren Hilfsfügeteile analysiert und die entstandene Verbindungen hinsichtlich ihrer Ausprägung und mechanischen Eigenschaften charakterisiert.

Auf dieser Grundlage wird eine neue Hilfsfügeteilgeometrie für dreilagige WES-Verbindungen entwickelt und hinsichtlich der Schweißlinsenausbildung unter Variation der Schweißparameter analysiert.


Darstellung des Nutzens für KMU

Im modernen Stahlkarosseriebau überwiegt das punktuelle Fügeverfahren des Widerstandspunktschweißens (WPS) deutlich. Dieses Verfahren erfordert trotz seiner vergleichsweise einfachen Prozesscharakteristik ein hohes technisches Prozessverständnis, welches überwiegend in klein- und mittelständischen Unternehmen generiert wird.

Im Hinblick auf moderne Karosseriebauweisen im Multi-Material-Design kann die bereits vorhandene Widerstandspunktschweißtechnik durch den Einsatz eines Hilfsfügeteils zur Umgehung der metallurgischen Inkompatibilitäten von Stahl und Aluminium weiterhin eingesetzt werden. Hierdurch entstehen Chancen, um das Angebotsspektrum der Hersteller und Anwender zu erweitern und den Aufwand für zeit- und kostenintensive Voruntersuchungen sowie Erprobungen, insbesondere bei KMU, zu reduzieren.

Gerade mittelstandsgeprägte Zulieferer erhalten durch die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse Vorteile, da das Thema Kopplung von Leichtbaukonzepten insgesamt immer mehr an Bedeutung gewinnt. Durch die Erarbeitung von Hinweisen und Handlungsempfehlungen für die Anwender der Widerstandsschweißtechnik wird ein wichtiger Beitrag zur wirtschaftlichen und prozesssicheren Herstellung von stahlintensiven Dreiblechverbindungen geleistet. Besonders für Betriebe, die dreilagige Mischverbindungen in ihren Produktionslinien herstellen bzw. planen, können mit Hilfe der Ergebnisse ihre Entwicklungs- und Produktionsprozesse optimieren und so Wettbewerbsvorteile durch die Einsparung von Material, Zeit, Gewicht und Kosten erhalten.


Projekt

FOSTA P 1404, IGF 21517 N - Laufzeit 01.01.2021 - 30.06.2023

Referent: Viktor Haak, M.Sc., Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn


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