Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatzgrenzenerweiterung und Flexibilitätssteigerung von einseitig wirkenden mechanischen Fügeverfahren durch prozessintegrierte Fügeteilerwärmung für den stahlintensiven Leichtbau

Der Einsatz von hoch- und höchstfesten Stahlwerkstoffen in Kombination mit Leichtmetallen stellt eine besonders wirtschaftliche Möglichkeit dar das Bauteilgewicht zu reduzieren. Zusätzlich lassen sich durch eine günstige geometrische Gestalt der Bauteile, wie z.B. mithilfe einer profilintensiven Bauweise oder durch stark verrippte Strukturen, belastungs- und gewichtsoptimierte Produkte herstellen, die häufig aber eine nur einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle aufweisen.

Wirtschaftliche Fügeverfahren, welche das einseitige Fügen von Stahlblechen mit Aluminiumguss- bzw. Profilbauteilen ermöglichen, sind das fließlochformende Schrauben (FLS) oder das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen. Mit den genannten Fügeverfahren sind höher- und höchstfeste Stähle zur Zeit aufgrund der Hilfsfügeteile nicht bzw. nicht prozesssicher ohne Vorloch fügbar.

Das Innovationspotenzial des Forschungsprojektes liegt darin, die Einsatzgrenzen des einseitig wirkenden Fügeverfahrens Fließlochformendes Schrauben durch eine integrierte insitu Erwärmung während des Fügeprozesses zu erweitern. Dazu soll unmittelbar vor dem Fügevorgang eine geregelte Wärmeeinbringung über die Setzanlage, z.B. dem Niederhalter, erfolgen. Mithilfe der insitu Erwärmung während oder kurz vor dem Fügen werden die Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe dahingehend verändert, dass die Einsatzgrenzen der Verfahren erweitert werden können.

Bei erfolgreicher Projektbearbeitung kann neben der Automobilindustrie auch die Gesamtheit der EBM-Industrie (Eisen-, Blech-, Metallwaren) von den Ergebnissen profitieren. Die Verbesserung des Verfahrens leistet einen Beitrag zur Optimierung des Automobilleichtbaus und trägt damit zur Erreichung des gesellschaftlichen Ziels der CO2-Reduktion bei.

Die Forschungsergebnisse führen zu einer wesentlichen Erweiterung der Einsatzgrenzen und ermöglichen einen flexiblen Einsatz der Verbindungstechnologien für KMU. Durch die daraufhin mögliche Verwendung lediglich einer Fügetechnologie für verschiedenste Verbunde, können Investitionskosten gesenkt und die Produktivität erhöht werden. Das Forschungsvorhaben erzielt damit einen deutlichen Innovationsvorsprung für KMU und trägt zum Erhalt bzw. zur Schaffung neuer Arbeitsplätze bei.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Einsatzgrenzenerweiterung des fließlochformenden Schraubens auf Grundlage einer prozessintegrierten, lokalen Fügestellenkonditionierung erreicht.

Zunächst wurden geeignete Erwärmungsmethoden identifiziert und im weiteren Verlauf wurde vorrangig die induktive Erwärmung betrachtet. Anhand von Erwärmungsversuchen unter Variation unterschiedlicher Einflussgrößen wurden grundlegende Wirkzusammenhänge hinsichtlich der lokalen Fügestellenerwärmung untersucht.

Unter Verwendung der im Rahmen des Projektes entwickelten Versuchsanlage wurden anschließend gezielt fügegeeignete Prozessparameter unter Berücksichtigung der vorhergehenden Fügeteilerwärmung ermittelt. Hierfür wurde bezüglich des Konditionierungsprozesses eine gesteuerte sowie auch geregelte Prozessführung umgesetzt. Anhand der Verschraubungsversuche in die lokal erwärmten Fügteilwerkstoffe wurde der Einfluss der lokalen Konditionierung auf die prozessualen Reaktionsgrößen des FLS-Prozesses ermittelt.

Weiterführend wurde die Verbindungsausbildung der Verschraubungen des thermisch unterstützten FLS-Prozesses metallografisch untersucht. Anhand von kontrastierten Schliffen wurden Gefügeänderungen analysiert. Zudem wurden Härtemessungen durchgeführt, mithilfe derer die lokal entfestigten Fügestellenbereiche unter Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmebehandlungsstrategien hinsichtlich ihrer Härte sowie auch geometrischen Ausbreitung quantifiziert werden konnten. Für die Gesamtheit der untersuchten Werkstoffkombinationen konnten fügegeeignete Prozessparameter ermittelt werden, sodass die Anwendungsgrenzen des fließlochformenden Schraubens in Bezug auf höchstfeste Mehrphasenstähle sowie ultrahöchstfeste Warmumformstähle mit Festigkeiten von über 1900 MPa erweitert werden konnten.