Schweißzange oder Laser wer fügt besser hochfesten Stahl?

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1 Bild: VW FÜGETECHNIK Schweißzange oder Laser wer fügt besser hochfesten Stahl? Weil der Automobilbau mehr Sicherheit und Fahrkomfort bei gleichzeitig leichter werdenden Karosserien fordert, hat die Stahlindustrie hochfeste Stahlsorten entwickelt, die sehr fest und zugleich gut verarbeitbar sind. Um ein Fertigungsoptimum zu finden, ist jeweils die bestgeeignete Stahlsorte mit dem passenden Fügeverfahren zu kombinieren. Belastungstests nach dem Punktschweißen und dem Laserfügen lieferten jetzt Hinweise auf das Potenzial dieser beiden häufigsten Verbindungsverfahren. Um ein objektives Urteil fällen zu können, sind aber weitere Versuche erforderlich. DER WETTBEWERB der Werkstoffe im Fahrzeugbau wird maßgeblich von den ständig steigenden Anforderungen an Fahrzeugsicherheit, Komfort und Leichtbau bestimmt. Diese resultieren aus verschärften gesetzlichen Vorgaben, gestiegenen Kundenansprüchen und einem erhöhten Umweltbewusstsein der Gesellschaft. Ganzheitliche, den Lebenszyklus umfassende Betrachtungen beeinflussen die Werkstoffauswahl. Hierbei nimmt Entscheidung pro Laser: In dieser Karosserie eines VW Golf V werden 70 m Lasernaht verarbeitet, das sind etwas mehr als 50 Prozent aller Verbindungen der Werkstoff Stahl durch die konsequente Weiterentwicklung vorhandener Stahlsorten sowie die Neuentwicklung und die Markteinführung hochfester Güten und Beschichtungssysteme eine herausragende Position 28 Carl Hanser Verlag, München BLECH InForm 4/2005

2 Das Bananendiagramm : Einteilung der Stahlsorten hinsichtlich ihrer Dehnungs- und Festigkeitseigenschaften ein. Stahl ist in den unterschiedlichsten Güten fast für jeden Einsatzzweck verfügbar und zeichnet sich durch eine sehr gute Wiederverwertbarkeit aus. Das Produktspektrum der modernen Karosseriestähle reicht von sehr weichen, duktilen Stahlsorten bis hin zu hochfestem Stahl. Je nach Anforderungsprofil nutzt man im modernen Automobilkarosseriebau klassische Tiefziehgüten, hochfesten mikrolegierten Stahl oder Mehrphasenstähle [1 und 2]. Besonders die Entwicklung hochfester Stahlsorten mit vergleichsweise guten Umformeigenschaften hat Suche nach dem Optimum: Spannungs-Dehnungs-Verlauf verschiedener Stahlsorten. Gelb: Martensitstahl, violett: mikrolegierter Stahl, braun: Dualphasenstahl neue Impulse für einen sicheren und wirtschaftlichen Karosserieleichtbau gegeben. Verfestigungsmechanismus charakterisiert den Stahl Charakteristisch für die Werkstoffentwicklung der höherfesten Stähle ist die Steigerung der Festigkeit durch die Nutzung unterschiedlicher Verfestigungsmechanismen mit der Zielsetzung, signifikante Einbußen etwa hinsichtlich Umformbarkeit und Schweißbarkeit zu vermeiden [4]. So begann in den siebziger Jahren die Markteinführung der mikrolegierten Stähle, die durch Carbide der Mikrolegierungselemente Titan, Niob und Vanadium sowie eine intensive Kornfeinung verfestigen. Bei den Mehrphasenstählen erfolgt die Verfestigung über die Kombination der verschiedenen Gefügephasen Ferrit, Bainit, Martensit und Restaustenit, wobei sich der Volumenanteil von Martensit als eine Haupteinflussgröße auf die Werkstofffestigkeit erweist. Im ersten BLECH InForm 4/2005

3 Härtedifferenz wie bei Normalstahl: Querschliffe einer Überlappverbindung aus Martensitstahl SZMS1200 (Oberblech) und Dualphasenstahl HXT600X (Unterblech) Bild ist eine Klassifizierung von typischen Stahlsorten im Automobilbau nach Festigkeitsklassen dargestellt. Die im Folgenden betrachteten Stahlsorten unterscheiden sich in der Ausprägung ihrer Verfestigungsmechanismen. Im Einzelnen wird hier je ein Vertreter der mikrolegierten Stähle und der Dualphasenstähle sowie der Martensitstähle betrachtet. Bei den mikrolegierten Stählen bewirken die Mikrolegierungselemente Ausscheidungen, die als Hindernis für Versetzungsbewegungen wirken. Zusätzlich ist Niob ein Mikrolegierungselement, das eine starke Kornfeinung hervorruft, so dass bei geeigneter Prozessführung ein feinkörniges Gefüge resultiert, in dem eine erhöhte Anzahl an Korngrenzen ein wirksames Hindernis für Versetzungsbewegungen darstellt. Beide Fügeverfahren haben ihre Vorteile Bei Dualphasenstahl wird der Umstand genutzt, dass der Martensit eine Gefügephase ist, die durch die Zwangslösung von Kohlenstoff in ihrer Kristallstruktur erheblich an Härte zunimmt. Im Prinzip handelt es sich um eine Mischkristallverfestigung. Menge, Härte und Verteilung der Martensitinseln in der weicheren ferritischen Matrix sind dann von entscheidender Bedeutung für den erreichbaren Festigkeitsanstieg bei der Verformung. Dieses Verfestigungsvermögen, charakterisiert durch den so genannten n-wert, in Kombination mit guten Dehnungswerten gibt dem Dualphasenstahl eine wesentlich höhere Zugfestigkeit im Vergleich zu konventionellem mikrolegiertem Stahl. So eignen sich die hochfesten Hohe Werte: Maximalkraft und Energieaufnahmevermögen laserstrahlgeschweißter Verbindungen unter quasistatischer Scherzugbelastung 30 Carl Hanser Verlag, München BLECH InForm 4/2005

4 Dualphasen-Stahlsorten zur Herstellung komplexer Umformteile. In Stahlsorten mit überwiegendem Anteil an Martensit ist es wiederum der in Zwangslösung befindliche Kohlenstoff, der die Härte des Martensits und damit die Festigkeit bestimmt. Sehr hohe Festigkeitswerte sind mit einem rein martensitischen Gefüge erzielbar. Höhere Potenziale für eine prozesssichere Kaltumformung lassen sich durch höhere Anteile an Ferrit realisieren. Der Kompromiss, ein zweiphasiges Gefüge hoher Festigkeit mit der Eignung zur begrenzten Kaltumformung einzustellen, bringt hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess mit sich [3 und 4]. Martensitstähle werden für kalt umgeformte Bauteile mit vergleichsweise geringen Umformgraden verwendet, die eine sehr hohe Festigkeit haben. Man nutzt sie vor allem zur Herstellung von Verstärkungsteilen im Automobilbau, für B-Säulen, Türen sowie Stoßfänger. Um die Werkstoffeigenschaften hoch festen Stahls in vollem Umfang nutzen zu können, ist die Auswahl geeigneter Fügeverfahren im Zusammenspiel mit einer angepassten Prozessparameterwahl und ihre Abstimmung auf die Konstruktion erforderlich. Das Widerstandspunktschweißen ist in der Blech verarbeitenden Industrie wegen seiner hohen Wirtschaftlichkeit das bedeutendste Fügeverfahren. Vor allem in der Karosseriefertigung führt es wegen seiner technischen und wirtschaftlichen Vorteile zu einer erheblichen Steigerung der Produktivität. Es eignet sich zum schnellen und sicheren Fügen verschiedener Blechsorten und Blechdicken. Aktuelle Fügetests ergaben einen moderaten Härtesprung Darüber hinaus ist das Laserstrahlschweißen im Rohkarosseriebau fest etabliert. Das Laserstrahlschweißen unterstützt aufgrund seiner linienförmigen Nähte nicht nur die Fahrzeugsteifigkeit, sondern erhöht dadurch auch die Crashsicherheit. Die weiteren Vorteile der Laseranwendung liegen in der hohen erzielbaren Prozessgeschwindigkeit, der geringen, lokal begrenzten, definierten Energieeinbringung sowie in schmalen Nähten mit sehr guten Eigenschaften [5]. Darüber hinaus ermöglicht der Laser wegen seines typischen Tiefschweißeffektes eine einseitige Zugänglichkeit der Klassisch gepunktet: Maximalkraft und Energieaufnahmevermögen widerstandspunktgeschweißter Verbindungen unter quasistatischer Scherzugbelastung BLECH InForm 4/2005

5 Geprüfte Werkstoffverbindungen S600MC HXT600X Fügezone die Grundlage für neue konstruktive Lösungen. Im Rahmen von aktuellen Untersuchungen wurden mittels Widerstandspunktschweißen und Laserstrahlschweißen Überlappverbindungen gemäß der Tabelle hergestellt. Für das Widerstandspunktschweißen verwendete man eine konventionelle 50-Hz- Wechselstromanlage, für die Laserstrahlschweißungen einen diodengepumpten Festkörperlaser. Zur Untersuchung des quasistatischen Tragverhaltens der Verbindungen wurden Zugversuche nach DIN mit Scherzugproben in Anlehnung an DIN ISO durchgeführt. Die Scherzugproben mit einer Breite b 0 von 45 mm wurden mit einer konstanten Traversengeschwindigkeit v T von 10 mm/min bis zum Bruch gezogen. Aus dem während der Versuche ermittelten Kraft-Weg-Verlauf ermittelte man die Maximalkraft und die Arbeitsaufnahme bis zum Bruch. Lasernähte sind sehr hoch auf Scherzug belastbar Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit beider Verfahren härtet das Schweißgut gegenüber dem Grundwerkstoff auf. Die Härte in der Schweißzone ist absolut betrachtet hoch. Setzt man die Werte hingegen ins Verhältnis zur jeweiligen Grundhärte, so erscheint der Härtesprung als weniger kritisch und ist durchaus mit den Verhältnissen bei der Verbindung konventioneller Tiefziehstähle vergleichbar. Im Bild auf Seite 30 un- SZMS1200 unverzinkt Werkstoff/ Kombination S600MC HXT600X SZMS1200 unverzinkt ten sind die ermittelten Zugkräfte und das Energieaufnahmevermögen lasergeschweißter Verbindungen unter quasistatischer Belastung dargestellt. Bei einem quasistatischen Zugversuch mit der Lasernaht quer zur Beanspruchungsrichtung liegen die ermittelten Maximalkräfte der getesteten Verbindungen auf einem hohen Niveau. Die erreichbare Maximalkraft unter Scherzugbelastung hängt dabei im Wesentlichen von der Festigkeit der verwendeten Werkstoffe ab. Außerdem wird sie von geometrischen Kerbwirkungen beeinflusst, also durch das Aufbiegen der Verbindung. Im Gegensatz dazu hängt die erreichbare Arbeitsaufnahme maßgeblich von der Duktilität der Werkstoffkombination ab. Ein hohes Arbeitsaufnahmevermögen in Verbindungen erreicht man mit solchen Fügepartnern, die ein hohes Dehnvermögen aufweisen. Proben mit hoher Energieaufnahme brechen in der Regel aufgrund geringer Bruchdehnungen in der Wärmeeinflusszone des festeren Fügepartners. Brüche in der Schweißnaht zwischen den Blechen sind bei niedriger Energieaufnahme zu beobachten. Im darauf folgenden Bild auf Seite 31 sind die ermittelten Zugkräfte und das Energieaufnahmevermögen widerstandspunktgeschweißter Verbindungen unter quasistatischer Belastung dargestellt. Im Rahmen der Untersuchungen lieferten die Widerstandspunktschweißungen für sämtliche Werkstoffe aufgrund verringerter Anbindungsflächen im Vergleich zu den laserstrahlgeschweißten Verbindungen niedrigere Maximalkräfte und Werte für das Energieaufnahmevermögen. Die erreichbaren Maximalkräfte werden von der Blechfestigkeit (Ausknöpfen) bestimmt. Das Versagen tritt in der Wärmeeinflusszone am Rand der Schweißlinse auf. Laser siegt im Zugversuch aufgrund der Durchgangsnaht Für beide Fügeverfahren wird festgestellt, dass unter quasistatischer Scherzugbelastung das Versagen in der Wärmeeinflusszone des jeweils festeren Fügepartners auftritt. Die erreichbaren Werte für die Maximalkraft und das Energieaufnahmevermögen fallen bei den laserstrahlgeschweißten Proben aufgrund der typisch linienförmigen Verbindung über die gesamte Probenbreite höher aus. In weiteren Versuchsreihen sollen deshalb auch so genannte Lasersteps geprüft werden, um im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen eine bessere Vergleichbarkeit hinsichtlich des tragenden Querschnittes zu erreichen. Folgendes kann festgehalten werden: Die untersuchten hochfesten, mikrolegierten Dualphasen- und Martensitstähle sind unter werkstofftechnischen Gesichtpunkten widerstandspunktund laserstrahlschweißgeeignet. Unter quasistatischer Last zeigt sich für das linienförmige Fügeverfahren der erwartete Tragfähigkeitsgewinn gegenüber dem punktförmigen Fügeverfahren. Die ganzheitliche Beschreibung der Leistungsfähigkeit der Verbindungen erfordert hingegen noch die Bewertung des Verhaltens unter dynamischen Lasten. Des Weiteren liefern die Reproduzierbarkeit, die Zuverlässigkeit sowie die Fertigungskosten des ausgewählten Fügeverfahrens einen entscheidenden Beitrag zum wirtschaftlichen Erfolg des Produktes. Dr. MATTHIAS HÖFEMANN Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter Dr. CHRISTIAN SCHÄFERS Wilhelm Karmann GmbH, Osnabrück 32 Carl Hanser Verlag, München BLECH InForm 4/2005

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