SALZGITTER FORSCHUNG

Transkript

1 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design W. Flügge Dresden, den 15. September 2015

2 Agenda Treiber für Leichtbau Mischbauweisen im Automobilbau Fügetechniken für Mischbauweise Beispiele für technologische Lösungen Fazit. ie 2, Werkstoffwoche

3 Verbrauchsaufteilung am Beispiel Golf A6 1,4 TSI Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift Ausgabe 06/2010 ie 3, Werkstoffwoche

4 Energieverbrauch am Beispiel Elektroauto Quelle: Friedrich und Hülsebusch 2012 ie 4, Werkstoffwoche

5 Stand der Karosseriebauweisen Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift Ausgabe 10/2008 ie 5, Werkstoffwoche

6 Tradition der Mischbauweise Quelle: Ford ie 6, Werkstoffwoche

7 Materialauswahl im Wandel der Zeit Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005 ie 7, Werkstoffwoche

8 Auswahlkriterien für automobiltypische Werkstoffe Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005 ie 8, Werkstoffwoche

9 Eigenschaften für die Bewertung der Werkstoffe Eigenschaften mit Relevanz für die Auswahl Eigenschaften mit Konsequenzen auf die Verarbeitung/Auslegung g g Festigkeit Dichte Oberflächen Energieaufnahme Kosten Herstellbare Geometrien Technologien zur Bauteilerzeugung Thermischer Beständigkeit Treibhausgasemissionen verschiedener Werkstoffe Abstand in der elektrochemischen Spannungsreihe Gültigkeit von zeitraffenden Labortests Verbindungstechnologie mit anderen Komponenten Wärmeausdehnungskoeffizienten Relaxationsverhalten ie 9, Werkstoffwoche

10 Definition Mischbauweise aus Sicht Fügetechnik Automobiltypisches Stahlfeinblech Mischbau auf Stahlbasis Mischbau auf Metallbasis Mischbau auf Festkörperbasis Stahlbrille Ferritsches Gefüge Referenztechnolgie Punktschweißen Organischer Überzug Metallischer Überzug Austenitisches Gefüge Martensitisches Gefüge Metallschäume Stahlsandwichverbundbleche Metallsandwichverbundbleche Mischgefüge g auf Ferritscher Basis Magnesiumblech Thermoplastische Kunststoffe Magnesiumguß Holzwerkstoffe Aluminiumblech Duroplastische Kunststoffe ie 10, Werkstoffwoche Aluminiumguß Glaswerkstoffe

11 Füllhorn der Fügetechnologien g Schweißen Mechanisches Fügen Kleben ie 11, Werkstoffwoche

12 Fügetechnologien g und Mischbauweise Automobiltypisches Stahlfeinblech Mischbau auf Stahlbasis Mischbau auf Metallbasis Mischbau auf Festkörperbasis Stahlbrille Nicht sofort fest Oberflächensensitiv Komplexer Prozeß Günstig Etabliert Sofort fest Etabliert Sofort fest Enges Prozessfenster Etabliert Sofort fest Zus. Fügeteil Sofort fest Zus. Fügeteil Komplexer Prozeß ie 12, Werkstoffwoche

13 Schweißen pressgehärteter Bauteile Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone Bekannter Effekt bei konventionellen Güten Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten Quelle: Dr.-Ing. J. Overrath, Thyssenkrupp Sofidit SAS, Dr. F.-J. Lenze, S. Sikora, ThyssenKrupp Steel Europe: Aktuelle Entwicklung der Warmumformung im automobilen Fahrzeugbau ; ie 13, Werkstoffwoche

14 Presshärten und Beschichtungen Passiver Verzunderungsschutz Gute Lackhaftung Werkstoffbeschichtung AlSi Nur direkt verarbeitbar Kein kathodischer Korrosionsschutz Werkstoffbeschichtung Zn-basiert Verzunderungsschutz Kathodischer Korrosionsschutz Quelle: SSAB Hardtech: Martensitbildung beim Presshärten Sandstrahlen erforderlich Starke Werkzeugverschmutzung Werkstoff kostengünstig Direkt und indirekt verarbeitbar Unbeschichteter Werkstoff Nur indirekt verarbeitbar Aufwendiger Fertigungsprozess ie 14, Werkstoffwoche

15 Schweißen pressgehärteter Bauteile Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone Bekannter Effekt bei konventionellen Güten Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten Lösung: Berücksichtigung des Härtesack in Auslegung Nutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben ie 15, Werkstoffwoche

16 Schweißen hochmanganhaltiger g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi HSD600 Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500 C 15 x x x 10-6 Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [ C] Liquidustemperatur [ C] Keine Aufhärtung der Fügezone Heißrissneigung Erstarrungs- richtung Schrumpfungsrichtung Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik ie 16, Werkstoffwoche

17 HSD -Stahl: Konstruktionsvorteile Spann nung 1200 [MPa] HSD -Stahl Vorteil 2: Hohe Dehnung Dualphasenstahl Vorteil 1: Hohe Festigkeit 200 Weicher Tiefziehstahl [%] 60 Dehnung Vorteil 3: Reduzierte Dichte (5%) im Vergleich zu konventionellen Stählen durch hohen Al- und Si-Gehalt ie 17, Werkstoffwoche

18 Schweißen hochmanganhaltiger g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi HSD600 Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500 C 15 x x x 10-6 Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [ C] Liquidustemperatur [ C] Keine Aufhärtung der Fügezone Heißrissneigung Erstarrungs- richtung Schrumpfungsrichtung Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik ie 18, Werkstoffwoche

19 Wahl des entsprechenden Schweißzusatz WEZ Ferrit Bainit Werkstoffe HSD600 HX340 SG Bainit Blechdicke t = 1,5mm Fügetechnologie Metallschutzgasschweißen Zusatz: Prüfverfahren Vickershärte HV 0,5 Schweißparameter WEZ - Austenit Schweißstrom 97 A Spannung 16,7 V Schweißgeschw. 0,5 m/min Zusatz: ,6 m/min Gas: Argon 10 l/min Spalt 0,6 mm ie 19, Werkstoffwoche

20 Schweißen hochmanganhaltiger g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi HSD600 Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500 C 15 x x x 10-6 Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [ C] Liquidustemperatur [ C] Keine Aufhärtung der Fügezone Heißrissneigung Erstarrungs- richtung Schrumpfungsrichtung Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik Lösung: - Einsatz von ausgewählten Schweißzusätzen zur Erzeugung eines kontinuierlichen Überganges - Konstruktive Berücksichtigung der Schrumpfungsbedingungen ie 20, Werkstoffwoche

21 Stahl-Aluminium-Schweißen Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen Metallen Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten - FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos Quelle: voestalpine Quelle: voestalpine ie 21, Werkstoffwoche

22 Stahl-Aluminium-Schweißen Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen Metallen Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten - FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos Quelle: voestalpine Quelle: voestalpine Lösung: - Nutzung einer Kombination aus Löten und Schweißen - Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie Quelle: Fronius ie 22, Werkstoffwoche

23 Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten im Werkstoffmix Freie Längenausdehnung α 1 > α 2 Behinderte Längenausdehnung α 1 > α 2 T = T 1 E 1 / α 1 E 2/ α 2 T = T 2 Gelpunkt Temperaturverlauf im Bauteil während Klebstoffaushärtung (schematisch, z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180) T = T 3 ie 23, Werkstoffwoche

24 Bestimmung des Verformungsverhaltens Auswertung der Fugen- und Probengesamtverformung [mm] Ver rformung 3,5 3 2,5 2 1, ,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5 Fugenverformung Gesamtverformung 0, Niet Verformungen durch das Setzen der Fügeelemente Verformungen durch Klebstoffaushärtung; 180 C, 30 min resultierende Verformung Die nietsetzprozess- und klebstoffaushärtungsbedingten Verformungen werden zur Probengesamtverformung kumuliert ie 24, Werkstoffwoche

25 Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten im Werkstoffmix Freie Längenausdehnung α 1 > α 2 Behinderte Längenausdehnung α 1 > α 2 T = T 1 E 1 / α 1 E 2/ α 2 T = T 2 Gelpunkt Temperaturverlauf im Bauteil während Klebstoffaushärtung (schematisch, z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180) T = T 3 Lösung: - Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung - Integration der thermischen Gegebenheiten in Auslegung ie 25, Werkstoffwoche

26 Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesium Beispiel Stirnwand Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur - Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen Kontakt, der zu Korrosion führt. ie 26, Werkstoffwoche

27 Herstellung Magnesiumbauteil Umformung bei 200 C Beschnitt Pulverlackierung Anbringen v. Funktions- elementen ie 27, Werkstoffwoche

28 Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesium Beispiel Stirnwand Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur - Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen Kontakt, der zu Korrosion führt. St-Querträger Stirnwand aussen St-Querträger Stirnwand innen Lochung für Kunststoff- Spreizniet Mg-Stirnwand Lösung: - Verlagerung des Fügeprozess in Montage - Nutzung von Kunststoffnieten als unterstützende Fügetechnik Kunststoffspreizniet ie 28, Werkstoffwoche

29 Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoff Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie - Schlechte Klebeignung FVK-Oberflächen - Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung ie 29, Werkstoffwoche

30 Umsetzung neuer Nietgeometrie Werkstoffe CF-PA 66 Gewebe (2,0 mm) HC 340 LAD (1,5 mm) Maschinenparameter Fügegeschwindigkeit: g g v = 45 mm/s Prägekraft: F = 30 kn Niederhalter Vorwettberbliche F&E finanziert durch: Vorspannkraft: 3 kn Abmessung (D x d): 12 x 6 Matrize 4,2 / 6,0 / 0,8 / 0,3x59 Fase Stützring 0,3x16 ie 30, Werkstoffwoche

31 Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoff Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie - Schlechte Klebeignung FVK-oberflächen - Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung 4000 Lösung: - Nutzung Haftvermittler - Verwendung des Reservoirniet 0 - Modifikation der Fügewerkzeuge Force at Failure Be eginning [N] % +25 % CF-PA 66 0 CF-EP 0 AC-600 PX T6 HC340LA HC340LA mod. ie 31, Werkstoffwoche

32 Fazit Mischbauweise mit dem richtigem Werkstoff am richtigen Platz wird zunehmen. Schlüssel zur Ausnutzung der Werkstoffe ist die Fügetechnik. Herausforderung für die Fügetechnik sind: Machbarkeit Tragfähigkeit Unterschiedliche Wärmeausdehnung Korrosion Großserientauglichkeit ie 32, Werkstoffwoche

33 Der Glaube an die Unmöglichkeit Der Glaube an die Unmöglichkeit des Vorhabens schützt die Berge zuverlässig davor, versetzt zu werden. wir versuchen es trotzdem. ie 33, Werkstoffwoche 33

34 Was auch immer Sie vorhaben Danke für Ihre Aufmerksamkeit! ie 34, Werkstoffwoche