Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung und Bewertung der Mischbruchneigung von Widerstandspunktschweißverbindungen in hochfesten Stählen

Die Anforderungen an moderne Karosseriekonzepte bzgl. Ressourceneffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit führen zum Einsatz von hochfesten Stählen. Das Widerstandspunktschweißen ist für OEM wie kmU die hochautomatisierbare, serientaugliche und kostengünstige Lösung für fügetechnische Aufgaben im stahldominierten Mischbau. Neben den mechanischen Eigenschaften der Stähle beeinflussen die Verbindungen das Crashverhalten. Optimale Punktschweißprozesse müssen die Lastübertragung durch ausreichende Verbindungsfestigkeiten und eine hohe Energieabsorption sicherstellen. Als Qualitätsmerkmal gilt bei OEMs wie kmUs das Auftreten von Ausknöpfbrüchen, woraufhin die Schweißparameter optimiert werden. Diese zeit- und kostenintensive Optimierung gelingt teilweise nicht, bzw. nur mit „untypischen“ Schweißparametern. KmUs haben nicht die Ressourcen und Mittel hierfür tiefgehende Untersuchungen durchzuführen.

Ziel des Projekts ist, die Entwicklung einer quantitativen Bewertungsmethode, die die „Mischbruchneigung“ d. h. die Neigung zur Rissinitiierung in der Fügeebene eines Schweißpunkts unter quasistatischer Belastung beschreibt. In das Bewertungstool fließen Belastungs-, Werkstoff- und prozessseitige Größen ein. Die Arbeitshypothese ist, dass die Bruchzähigkeit des Schweißlinsengefüges der Werkstoffkennwert zur belastungsabhängigen Vorhersage der Mischbruchneigung ist. Sie wird durch Rissfortschrittsmessungen mittels des Wechselstrom-Potentialverfahrens bestimmt. Eine Erhöhung der Bruchzähigkeit wird die Tragfähigkeit und Energieabsorption und somit die Crashsicherheit punktgeschweißter Bauteile erhöhen. Diese Bewertungsmethode soll in bestehende und zukünftige DVS-Merkblätter zum Widerstandspunktschweißen und Prüfen von Punktschweißverbindungen eingehen, die kmUs als Werkzeug für die Auslegung crashoptimierter Schweißbaugruppen einsetzen. Dies resultiert in Zeit- und Kostenersparnisse und bedeutet eine Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit für kmUs.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist eine quantitative Bewertungsmethodik der Mischbruchneigung von Widerstandspunktschweißungen in hochfesten Stählen. Die erarbeitete Methodik besteht aus der Bestimmung der Anrisskraft bei Rissinitiierung des Mischbruchs und der Berechnung der Bruchzähigkeit des Schweißlinsengefüges, die als Grenzwert zur Mischbruchneigung eingesetzt wird. Mit dem entwickelten und modifizierten Versuchsaufbau zur Prüfung von Kreuzzugproben unter Normalbeanspruchung durch Verwendung einer Potentialsonde konnte die Kraft bei Rissinitiierung in der Fügeebene bestimmt werden. Damit und mit Hilfe von bruchmechanischen Modellen aus der Literatur kann die Bruchzähigkeit berechnet werden. Die temperaturabhängige Bruchzähigkeit des Schweißlinsengefüges ist der Werkstoffkennwert, der für die Mischbruchneigung einer Widerstandspunktschweißverbindung verantwortlich ist. Dies konnte für die Schweißlinsengefüge der untersuchten Stähle gezeigt werden. Die Projektergebnisse und die Bewertungsmethodik ermöglichen es dem Anwender das Mischbruchverhalten zu quantifizieren und mit Stahlalternativen bzw. neu entwickelten Stählen, insbesondere ultrahochfeste Stähle mit zunehmenden Kohlenstoffanteil, zu vergleichen und diese für die Anwendung zu qualifizieren. Die Akzeptanz der Bruchform Mischbruch wird durch die Projektergebnisse erhöht und unnötige Entwicklungsschleifen zur Bestimmung von Prozessparametern ohne Mischbruch reduziert. Der potentielle Nutzerkreis für die angestrebten Forschungsergebnisse erstreckt sich auf kleine und mittelständische Unternehmen aus den Bereichen der blechverarbeitenden Industrie, deren Zulieferer und Systemlieferanten sowie insbesondere der Zulieferbetriebe der Automobilindustrie und des Schienenfahrzeugsektors. Ein großer Teil dieser KMUs wird das etablierte und weitverbreitete Widerstandspunktschweißen nach Kundenvorgabe nutzen müssen und daher von den erzielten Forschungsergebnissen direkten Nutzen ziehen.