Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laserstrahlschweißen der ultrahochfesten Stähle 22MnB5 und DP1000 - Generierung und Validierung von Materialkennwerten in Wärmeeinflusszonen (WEZ) für eine geschlossene Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation der Fügetechnik bis zur Belastungssimulation

Ziel des Forschungsvorhabens ist es die Schließung der Simulationskette von der Fügetechnik- bis zur Crash-Simulation für ultrahochfeste Stähle (uhss) zu ermöglichen. Es soll ein vertieftes Verständnis der schweißprozessbedingten, temperaturverlaufsabhängigen Veränderung der Materialeigenschaften in der Wärmeeinflusszone (WEZ) gewonnen und in Simulationsansätze überführt werden.

Dazu werden in Materialproben die beim Laserstrahlschweißen in den verschiedenen WEZ-Bereichen auftretenden Temperaturverläufe nachgebildet. Anschließend werden die mechanisch-technologische Eigenschaften dieser Bereiche ermittelt und für die Belastungssimulation im Finite Elemente-Modell implementiert. Der so erarbeitete Simulationsansatz wird zunächst für Zugversuche und bauteilähnliche Geometrien angewendet und später für den Einsatz in der Gesamtfahrzeugsimulation vereinfacht und exemplarisch an einem Bauteilkonzept umgesetzt.

Angestrebte Ergebnisse sind die Korrelation von Aufheizgeschwindigkeit und Umwandlungstemperaturen sowie Bestimmung des Einflusses auf die Gefügeausbildung, die Generierung von temperaturverlaufsabhängigen mechanisch-technologischen Eigenschaften in der WEZ von Laserstrahlschweißnähten und die Ermittlung des nötigen Detaillierungsgrades der im FEM-Modell abgebildeten Fügezone zur Verbesserung von Crashsimulationsergebnissen.

Die Ergebnisse können kurzfristig und ohne großen Aufwand in FEM-Modellen implementiert und wirtschaftlich genutzt werden. Das ermöglicht KMU in der Simulationsbranche ihr Portfolio um einen wertvollen Arbeitsbereich zu erweitern. Für KMU als Hersteller und Verarbeiter von UHSS Komponenten können durch die bessere Vorhersage des Belastungsverhaltens ultrahochfester Stähle neue Leichtbaupotentiale erschlossen und die Kosten für aufwändige Versuche und Prototypen gesenkt werden. Weiterhin ergibt sich für Werkstofftechnische KMU die Möglichkeit, eine Methodik zu adaptieren, die ihnen ein neues Feld zur Generierung von Werkstoffdaten eröffnet.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel dieses Projektes war die Ermöglichung der Schließung der Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation der Fügetechnik hin zur Belastungssimulation laserstrahlgeschweißter ultrahochfester Stähle. Mit experimentellen Untersuchungen aus den Materialien 22MnB5 und HCT980X wurde eine Datenbasis geschaffen. In verschiedenen Versuchsreihen wurden Prozessparameter zur Erzeugung von Schweißverbindungen bei verschiedenen Laserfokusdurchmessern erarbeitet. Auf Basis von Temperatur- und Härteverlaufsmessungen konnten unterschiedliche Gefügebereiche identifiziert und eine Unterteilung in Zonen der Schweißnaht bis zum Grundwerkstoff erfolgen. Eine Korrelation von durchlaufener Temperaturhistorie, resultierender Werkstoffhärte und sich einstellendem Gefüge wurde erkannt.

Eine Datenbank für das Werkstoffverhalten unterschiedlicher Gefüge wurde erstellt und in Materialkarten für die Belastungssimulation mit Hilfe der FEM überführt. Durch Nutzung einer Skalierungsmethodik wird die Schließung der Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation zur Belastungssimulation ermöglicht, indem generierte Härteverteilungen der Fügetechniksimulation auf Modelle der Belastungssimulation übertragen werden. Diese Simulationskette wurde aufbauend auf den hier vorliegenden Projektergebnissen bereits durch ein KMU des projektbegleitenden Ausschusses vollzogen und unterstreicht die industrielle Relevanz des Forschungsvorhabens. Zudem konnte mit einer Ersatzmodellierung unter Einbeziehung der WEZ-Eigenschaften das Fügestellenverhalten auf Komponentenebene und im Rahmen von Gesamtfahrzeugsimulationen dargestellt werden.