Charakterisierung und Modellierung des Versagens von Laserstrahlschweißverbindungen von Stahlblechen für die Crashsimulation

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2 Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn Charakterisierung und Modellierung des Versagens von Laserstrahlschweißverbindungen von Stahlblechen für die Crashsimulation AVIF A237 Silke Sommer Dong-Zhi Sun Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM und Tobias Düpmeier Frederik Klokkers Laboratorium für Werkstoffund Fügetechnik LWF November 2009 V 295/2009

3 Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.v. Antragsteller Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.v. AVIF An der Pönt Ratingen Antrag vorgelegt über Forschungsvereinigung Automobiltechnik FAT Verband der Automobilindustrie e.v. VDA Westendstraße Frankfurt/Main

4 Das im Folgenden dargestellte Forschungsprojekt von Stahlblechen für die Crashsimulation wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.v.. Zweck der Stiftung ist die Förderung der Forschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und -anwendung in der Bundesrepublik Deutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von einem Gutachtergremium der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.v. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und der Wissenschaft zusammensetzt. Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis des Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT), Verband der Automobilindustrie e.v. (VDA) Der nachstehende Bericht fasst Zielsetzung und wichtigste Ergebnisse des Forschungsprojektes zusammen.

5 Kurzfassung Fügeverbindungen sind hoch belastete Stellen der Gesamtstruktur, z.b. bei besonderen Belastungssituationen wie Crash. Die Crashsimulation benötigt zuverlässige und anwendbare Werkzeuge, um belastbare Aussagen über die Tragfähigkeit von Fügeverbindungen zu treffen. Aus Effizienzgründen können in Crashberechnungen von Gesamtfahrzeugstrukturen keine detaillierten Modelle für die Fügeverbindungen eingesetzt werden. Stattdessen verwendet man Ersatzmodelle, die das globale Verformungs- und Bruchverhalten der Verbindungen mit geringem Rechenaufwand wiedergeben sollen. Hierfür stehen bereits Methoden für Punktschweißverbindungen zur Verfügung, allerdings noch nicht für Laserstrahl- Schweißverbindungen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Verifizierung und Bereitstellung einer numerischen Methode für die Crashsimulation von laserstrahlgeschweißten Automobilkomponenten auf Basis von Ersatzmodellen. Weiterhin war es Ziel, die zur Kalibrierung der Ersatzmodelle notwendigen Versuche und eine Vorgehensweise zur Kalibrierung zu bestimmen. Darauf aufbauend wurden quasistatische und dynamische Versuche an bauteilähnlichen T-Stoßproben zur Validierung der Übertragbarkeit der entwickelten Ersatzmodelle auf Mehrelementproben durchgeführt und mit den entsprechenden Simulationen verglichen. Zur experimentellen Charakterisierung der Laserstrahl-Schweißverbindungen wurden metallographische Untersuchungen und die KS-2-Probentechnik mit den Belastungswinkeln 0, 30, 60 und 90 eingesetzt. Es wurden zudem Schälzugversuche durchgeführt, um die Nähte unter Biegebelastung zu prüfen und einfach überlappte Scherzugversuche, um den Einfluss der Orientierung der Scherbeanspruchung zu prüfen. Ein Teil der geprüften Proben wurde fraktographisch untersucht um die Versagensmechanismen zu bestimmen. Die Linien- und Spline-Schweißnähte aus dem Werkstoff DC04 wiesen keine wesentlichen Unterschiede in ihrem Tragverhalten auf, weshalb beim höherfesten Mehrphasenstahl TRIP700 eine C-förmige Schweißnaht (Klammer) als Variation untersucht wurde. Die in den Verbindungsversuchen ermittelten Maximalkräfte und Verformungswege der Linienschweißnaht in TRIP700 zeigten starke versagensbedingte Streuungen, insbesondere bei den quasistatischen Versuchen unter Normalbelastung (KS-2-90 ). Die fraktographische Untersuchungen der Bruchflächen zeigten neben duktilen Bruchanteilen auch Spaltbruchanteile mit transkristallinem Verlauf. Die Sprödbruchempfindlichkeit des TRIP700-Schweißguts, das maximale Härtewerte von über 500 HV0,1 aufwies und mögliche Schweißfehler erklären die Streuung der Versuchsergebnisse. Die entwickelte Ersatzmodellierung beruht auf Volumenelementen und einem Cohesive- Materialmodell, dessen Schädigungsparameter, die maximalen Normal- und Scherspannungen und die zugehörigen Bruchenergien, durch Simulation des Kopfzug- und Scherzugversuchs bestimmt wurden. Die Exponenten im Schädigungsmodell wurden durch Simulation der Versuche unter kombinierter Belastung, KS-2-30 und KS-2-60, bestimmt. Für die Berücksichtigung des Dehnrateneffekts wurden die dynamischen Kopfzug- und Scherzugversuche simuliert und Skalierungsfaktoren für die Schädigungsparameter bestimmt. Dabei wurden als Referenzdehnraten die nominellen Dehnraten aus den quasistatischen und dynamischen Versuchen verwendet. Dies entspricht der empfohlenen Vorgehensweise zur Kalibrierung von Ersatzmodellen für Laserstrahl-Schweißverbindungen.

6 Zur Validierung der entwickelten Ersatzmodellierung und ihrer Übertragbarkeit auf komplexere Belastungen, wurden Versuche an bauteilähnlichen T-Stoßproben durchgeführt. Diese wurden unter quasistatischer und dynamischer Quer- und Längsbelastung geprüft. Dabei wurden Kraft-Wegkurven und Videoaufnahmen zur Dokumentation des Deformations- und Versagensverhaltens aufgezeichnet. Die T-Stoßversuche wurden mit den aufgestellten und kalibrierten Ersatzmodellen für die Linien- und Klammerschweißnähte simuliert. Bei der Simulation der Versuche mit T-Stoßproben aus DC04 mit Linienschweißnähten wurden die Kraft-Wegverläufe unter Längsbelastung gut wiedergegeben. Die Simulationen der Versuche unter Querbelastung konnten die beobachtete Abhängigkeit des Nahtversagens von der Verwendung eines Einlegers beschreiben und die gemessenen Tragfähigkeiten mit geringen Unterschätzungen berechnen. Auch die gemessenen Kraft-Wegverläufe bei dynamischer Belastung wurden prinzipiell, allerdings mit Abweichungen bzgl. der Absolutwerte in Kraft und Weg, wiedergegeben. Für den Werkstoff TRIP700 ergab die Berechnung der Längsbelastung teilweise eine sehr gute Wiedergabe der Kräfte bei Versagen der seitlichen Linienschweißnähte durch Scherbruch. Die Analyse der berechneten, lokalen Belastungen dieser Schweißnähte unter Längs- und Querbelastung zeigte, dass die Scherung in Nahtbreitenrichtung dominant und somit die Belastung und das Versagen in der einfach überlappten Scherzugprobe relevant war. Bei der T-Stoßprobe mit Laschen unterlagen die Schweißnähte Zug- und Biegebeanspruchungen. Das Kraftniveau bei Versagen der unter Zug belasteten Linienschweißnähte wurde auch mit Verwendung von Parametern für spröden Trennbruch überschätzt. Dies ist die Folge der Probabilistik des Versagens der TRIP700-Linienschweißnähte unter Normalbeanspruchung, die durch die Sprödbruchempfindlichkeit des Schweißguts und mögliche Schweißfehler verursacht wird. Das Versagensverhalten der Klammerschweißnähte in TRIP700 und die gemessenen Kraft- Wegkurven in den quasistatischen und dynamischen T-Stoßversuchen konnten mit dem kalibrierten Ersatzmodell für die Klammerschweißnaht gut wiedergegeben werden. Abgesehen von den Effekten, die durch die Streuung des Versagens der Lasernähte in TRIP700 und durch die Nahtausbildung beim Laserschweißen erzeugt werden, konnte die aufgestellte Ersatzmodellierung für den Einsatz in Crashberechnungen von lasergeschweißten Automobilkomponenten in diesem Forschungsvorhaben verifiziert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

7 Danksagung Der Forschungsbericht enthält Ergebnisse des Forschungsvorhabens AVIF A237, das von der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.v. (FAT), Frankfurt, beantragt und über die Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.v. (AVIF) aus Mitteln der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.v., Essen gefördert wurde. Für diese Förderung sei gedankt. Den Mitgliedern des industriellen Begleitkreises, des AK 27 UA Crash- und Insassensimulation, AG Linienförmige Schweißverbindungen sei für Ihre Mitarbeit und die konstruktiven Diskussionen gedankt: Obmann: Herr Dipl.-Ing. H. Klamser Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Herr Dipl.-Ing. T. Frank Herr Dr.-Ing. M. Feucht Frau Dipl.-Ing. C. Florczak Herr Dr.-Ing. P. Alber Herr Dr. rer. nat. H. Liebertz Herr Dipl.-Ing. R. Neugebauer Herr Dipl.-Ing. X. Wang Herr Dipl.-Ing. G. Saalfeld Herr Dr.-Ing. R. Schilling Herr Dipl.-Ing. R. Visinescu Daimler AG Daimler AG Johnson Controls GmbH Daimler AG Volkswagen AG Wilhelm Karmann GmbH AUDI AG Keiper GmbH & Co. KG Ford-Werke GmbH Adam Opel GmbH Freiburg, November 2009 Paderborn, November 2009 Dr.-Ing. Silke Sommer Dr.-Ing. Dong-Zhi Sun Dr.-Ing. Tobias Düpmeier Dipl.-Wirt.-Ing. Frederik Klokkers

8 Aufteilung der Arbeitspakete AP1 Charakterisierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Laserstrahlnähten unter crashrelevanter Belastung AP1.1 Laserstrahlschweißung, Fertigung von verschiedenen Proben und Zusammenstellung von Grundwerkstoffdaten AP1.2 Statische und dynamische KS-2-, Scher- und Schälzugversuche an einem Werkstoff AP1.3 Gefügecharakterisierung und Untersuchung der Versagensmechanismen LWF LWF IWM AP2 Entwicklung von Ersatzmodellen mit übertragbaren Versagenskriterien und Ableitung von Eingangsdaten für die Ersatzmodelle AP2.1 Überprüfung existierender Ersatzmodelle (Schweißpunkt, Kleben) für linienförmige Lasernähte AP2.2 Bestimmung von globalen Versagenskriterien für Ersatzmodelle AP2.3 Entwicklung und Überprüfung von Ersatzmodellen durch Simulation von verschiedenen Probenversuchen AP2.4 Versuche am zweiten Werkstoff und Bestimmung von Versagenskurven AP2.5 Ersatzmodellierung von Probenversuchen am zweiten Werkstoff mit unterschiedlichen Blechdicken und Fügearten IWM IWM IWM LWF IWM AP3 Verifizierung der neuen Methode durch Crashtests an lasergeschweißten Bauteilen und Crashsimulation AP3.1 Vorauslegung und Durchführung von statischen und schlagartigen Bauteilversuchen AP3.2 Ergänzende Proben- und Bauteilversuche an ausgewählten Nähten AP3.3 Verifizierung der neuen numerischen Methode durch Simulation der Bauteilversuche AP3.4 Festlegung einer Vorgehensweise für die Bestimmung von Eingangsdaten für Ersatzmodelle AP3.5 Zusammenfassende Bewertung und Dokumentation LWF IWM IWM LWF, IWM LWF, IWM

9 Inhalt 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Schweißeignung Mechanische Eigenschaften von Laserstrahlverbindungen Ermittlung von Verbindungskennwerten für die Crashsimulation Modellierung von Laserstrahlnähten 5 3 Ziel des Forschungsvorhabens 7 4 Probenfertigung und Werkstoffcharakterisierung Laserstrahlschweißung, Fertigung von verschiedenen Proben und Zusammenstellung von Grundwerkstoffdaten (LWF) 8 5 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Gefügecharakterisierung (IWM) Metallografische Untersuchungen an Lasernähten aus DC Liniennaht in DC Splinenaht in DC Metallografische Untersuchungen an Lasernähten aus TRIP Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 2,0 mm Klammernaht in TRIP700, Blechdicke 1,5 mm Klammernaht in TRIP700 mit Blechdicke 2,0 mm Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten Verbindungen aus D04 (LWF) Versuchsrandbedingungen Versuchsrandbedingungen quasistatische Prüfung Versuchsrandbedingungen schlagartige Prüfung Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten DC04 unter quasistatische Belastung Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten DC04 unter schlagartiger Belastung Diskussion der Ergebnisse Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten Verbindungen aus TRIP700 (LWF) Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten TRIP700 unter quasistatischer Belastung Trag- und Versagensverhaltens des laserstrahlgeschweißten TRIP700 unter schlagartiger Belastung Diskussion der Ergebnisse Ergänzende Probenversuche an ausgewählten Nähten (IWM) Probengeometrien und Versuchsaufbau 64

10 5.4.2 Versuchsergebnisse Versagensmechanismen Versagensmechanismen der Liniennähte aus DC Versagensmechanismen der Liniennähte aus TRIP Versagensmechanismen der Klammernähte aus TRIP Entwicklung von Ersatzmodellen mit übertragbaren Versagenskriterien und Ableitung von Eingangsdaten Überprüfung existierender Ersatzmodelle für linienförmige Lasernähte (IWM) Ersatzmodell Hexaeder Schweißpunktersatzmodell Ersatzmodell Cohesive-Elemente für Klebverbindungen Entwicklung und Überprüfung von Ersatzmodellen durch Simulation von verschiedenen Probenversuchen (IWM) Ersatzmodell für Nahtform Linie, DC Ersatzmodell für Nahtform Linie, TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm Ersatzmodell für Nahtform Klammer, TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm 95 7 Verifizierungsversuche an lasergeschweißten Bauteilen Versuchsrandbedingungen (LWF) Versuchsrandbedingungen quasistatische Prüfung Versuchsrandbedingungen schlagartige Prüfung T-Stoß Versuche mit dem Werkstoff DC04 (LWF) T-Stoßprobe ohne Lasche unter Längsbelastung T-Stoßprobe mit Lasche unter Längsbelastung T-Stoßprobe ohne Lasche unter Querbelastung T-Stoßprobe mit Klammernähten T-Stoß Versuche mit dem Werkstoff TRIP700 (LWF) T-Stoßprobe ohne Lasche und mit Liniennaht unter Längsbelastung T-Stoßprobe mit Lasche und Liniennaht unter Längsbelastung T-Stoßprobe ohne Lasche und mit Liniennaht unter Querbelastung T-Stoßprobe ohne Lasche unter Längsbelastung: Klammernaht T-Stoßprobe mit Lasche unter Längsbelastung: Klammernaht T-Stoßprobe ohne Lasche unter Querbelastung: Klammernaht Diskussion der Ergebnisse (LWF) Ergänzende Bauteilversuche an ausgewählten Nähten (IWM) Versuchsaufbau Versuchsergebnisse Simulation der Bauteilversuche zur Verifizierung FE-Modelle für Simulation der T-Stoßversuche (IWM) Simulation der T-Stoßversuche mit dem Werkstoff DC04 (IWM) Längsbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn Längsbelastung der T-Stoßprobe mit Laschen, qs. und dyn Querbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn TRIP700 Liniennaht, Blechdicke 1,5 mm Längsbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn Längsbelastung der T-Stoßprobe mit Laschen, qs. und dyn Querbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn TRIP700 Klammernaht, Blechdicke 1,5 mm Längsbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn. 142

11 Längsbelastung der T-Stoßprobe mit Laschen, qs. und dyn Querbelastung der T-Stoßprobe ohne Laschen, qs. und dyn Vorgehensweise für die Bestimmung von Eingangsdaten für Ersatzmodelle (IWM, LWF) Zusammenfassung Literatur 153 Anhang 155

12 Einleitung 1 Einleitung Die Entwicklung neuer hochfester Stahlwerkstoffe für den Einsatz in Automobilen hat in jüngster Zeit neue Leichtbaupotentiale geschaffen. Die Umsetzung dieser Potentiale erfordert jedoch den Einsatz angepasster Fügeverfahren, welche die anwendungsbezogenen Werkstoffeigenschaften mit optimalen Verbindungseigenschaften vereint. Mit der Entwicklung des Laserstrahlschweißens zu einer großserientauglichen Technologie, steht ein Fügeverfahren zur Verfügung, mit dem sich die Leichbaupotentiale aktueller hochfester Stahlwerkstoffe besser ausnutzen lassen. Die Vorteile des Laserstrahlschweißens gegenüber konventionellen Schweißverfahren liegen in der hohen Prozessgeschwindigkeit, der geringeren Wärmebelastung des Werkstoffs und der Flexibilität bezüglich der Nahtform und Nahtposition. Hieraus ergeben sich Einsparpotentiale, die durch die Verringerung der Flanschbreiten und Blechdicken ermöglicht werden. Wenn sich der Einsatz von neuen Fügetechniken in der automobilen Produktion durchsetzten und andere etablierte Verfahren ersetzen soll, muss neben der fertigungstechnischen Beherrschung und der Kenntnis des Einsatzverhaltens auch die Modellierbarkeit in der Simulation gewährleistet sein, weil die virtuelle Produktentwicklung aus der Automobilbranche aufgrund der sich stetig verkürzenden Entwicklungszeiten nicht mehr wegzudenken ist. Heute werden bereits grundlegende Entscheidungen auf der Basis von Berechnungsergebnissen getroffen. Die Crashsimulation muss bezüglich Crashsicherheit und der Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften bereits in der Konzeptphase belastbare Aussagen machen. Da Fügeverbindungen oftmals die Schwachstellen der Gesamtstruktur bei Missbrauchsbelastungen wie Crash sind, benötigt die Crashsimulation ein zuverlässiges und anwendbares Werkzeug um belastbare Aussagen über die Tragfähigkeit von Laserschweißverbindungen zu machen. Für eine zuverlässige und realisierbare Modellierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Laserstrahlschweißverbindungen in der Crashsimulation sind die Bereitstellung von speziellen Elementen für Lasernähte, so genannte FE-Ersatzmodelle und die Ermittlung mechanischer Eigenschaften unter crashrelevanten Belastungen erforderlich. Hierzu ist eine systematische Charakterisierung des mechanischen Verhaltens bis zur Schädigung bei Crashbelastung von Laserstrahlschweißverbindungen bei Stahlblechbauteilen notwendig. Dabei sind die Einflüsse von Nahttyp, Materialgüte, Belastungsart und Belastungsgeschwindigkeit zu untersuchen und zu berücksichtigen. Die Ersatzmodellierung von Lasernähten muss eine effiziente numerische Methode darstellen, die mit möglichst geringem Modellierungs- und Rechenaufwand das Verformungs- und vor allem Versagensverhalten von Laserstrahlschweißverbindungen wiedergibt, um in der Crashsimulation von Gesamtfahrzeugen eingesetzt werden zu können. 1

13 Stand der Technik 2 Stand der Technik Das Laserstrahlschweißen ist ein innovatives thermisches Fügeverfahren, das in vielen Fertigungsbereichen wie z.b. der Automobil- und Schienenverkehrsindustrie einen zunehmenden Einsatz erfährt. Die Vorteile des Laserstrahlschweißens gegenüber konventionellen Schweißverfahren, wie z.b. dem Widerstandspunktschweißen, liegen in der höheren Prozessgeschwindigkeit, der geringen Wärmebelastung des Werkstoffs und der Flexibilität bezüglich der Nahtform und Nahtposition [CRA02, DC02]. Beim Laserstrahlschweißen erfolgt eine konzentrierte Energieeinbringung zur Herstellung einer Verbindung und dadurch entsteht keine weiche Werkstoffzone und die Festigkeit von hochfesten Stählen bleibt auch in der Fügeverbindung erhalten. Hieraus ergeben sich Einsparpotentiale, die durch die Verringerung der Flanschbreiten und Blechdicken ermöglicht werden. Das Fügeverfahren Laserstrahlschweißen findet immer mehr Anwendung in der Fertigung von Fahrzeugstrukturen, insbesondere auch in sicherheitsrelevanten Bereichen (z.b. Schweller, B- Säule, Karosserie, Plattform) [LÖF04]. Im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren wird das Laserstrahlschweißen im Fahrzeugbau seltener eingesetzt. Gründe dafür sind fehlende Kenntnisse über das mechanische Verhalten von Laserstrahlverbindungen unter Crashbelastung und vor allem fehlende Methoden zur Modellierung ihrer Tragfähigkeit bei der Crashsimulation. 2.1 Schweißeignung Zahlreiche Untersuchungen zur Schweißeignung von Werkstoffen zum Laserstrahlschweißen wurden bereits durchgeführt [BUR00, NAG01, ONO02, CRA02]. Dabei wurden auch Stahlbleche unterschiedlicher Festigkeitsklassen unter verschiedenen Schweißbedingungen (Streckenenergie, Naht- und Bauteilgeometrie) untersucht. Bei umwandlungshärtenden Werkstoffen, wie z.b. Dualphasen-, Komplexphasen- und TRIP-Stählen, führen die hohen lokalen Abkühlungsgeschwindigkeiten bei der Laserstahlschweißung zur Umwandlung Austenit / Martensit. Eine wichtige Fragestellung war, ob diese Phasenumwandlung einen ausgeprägten Härteanstieg bis hin zu Rissen in der Schweißnaht verursacht. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, dass der bisher geltende Anhaltswert der zulässigen Maximalhärte von 350 HV für eine ausreichende Schweißeignung für unlegierte, CrMo-legierte Stähle und auch für nichtrostende höherkohlenstoffhaltige Chromstähle bis auf 500 HV erhöht werden kann [CRA97, CRA02]. Wegen der Gefahr von Porenbildung durch die Zinkschicht kann die Qualität von Überlappnähten von verzinkten Blechen nur durch Einstellen eines optimierten Luftspalts gewährleistet werden [ONO02, CRA02]. 2.2 Mechanische Eigenschaften von Laserstrahlverbindungen Für die Bewertung der Crashsicherheit von laserstrahlgeschweißten Automobilkomponenten ist die Charakterisierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Laserstrahlnähten unter Crashbedingungen (hohe Dehnraten, verschiedene Belastungstypen: Zug, Druck, Biegung und Scherung) erforderlich. Bisher wurden Laserstrahlschweißverbindungen nur in Form von Stumpf- und Überlappnähten hauptsächlich durch statische Zugversuche und zum Teil auch durch Tiefungsversuche [CRA02], KS-2-Versuche [HAH99] und bruchmechanische Versuche [BUR00, NAG01] charakterisiert. Zur Quantifizierung des Mismatch-Effekts (hauptsächlich Overmatching) von Lasernähten wurden Mini-Zugproben aus unterschiedlichen Werkstoffzonen bei [BUR00] entnommen und geprüft. Bei einigen Werkstoffen, z.b. S355N, wurde festgestellt, dass der Anstieg der Streckgrenze und der Zugfestigkeit in der Schmelzzone durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit trotz des feinen Gefüges von einem Verlust der 2

14 Stand der Technik Verformbarkeit (Bruchdehnung und Brucheinschnürung) begleitet wird. Ein starker Bake- Hardening-Effekt wurde bei dem lasergeschweißten Dualphasenstahl TRIP700 gefunden [KRI03]. Der Grund ist, dass der Gehalt des interstitiell gelösten Kohlenstoffs in der Schmelzzone höher als im Grundwerkstoff ist. Im Vergleich zur Stumpfnaht ist die Belastung bei der Überlappnaht wegen der Spannungsüberhöhung durch Kerbwirkung kritischer. Die Versagensstelle hängt daher auch vom Nahttyp ab. Während bei der Stumpfnaht wegen der hohen Härte der Schmelzzone in der Regel das Versagen im Grundwerkstoff auftritt, kann die Rissbildung bei der Überlappnaht vom Fügespalt in die Schmelzzone ausgehen. Nach [ONO96] ist die maximale Scherzugkraft einer laserstrahlgeschweißten Überlappnaht ein Produkt aus der Probenbreite, der Breite des Schweißbads und der Vickers-Härte der Schmelzzone. Mit zunehmender Breite des Schweißbads nimmt die Scherzugkraft der Überlappnaht zu, bis die Festigkeit des Grundwerkstoffs erreicht wird. Das bedeutet, dass das Schweißgut versagt, wenn das Schweißbad eine kritische Breite nicht überschreitet. Es liegen bisher keine Ergebnisse über den Einfluss der Belastungsart z.b. Biegung oder kombinierte Belastung aus Zug und Scherung auf das Versagensverhalten einer Überlappnaht vor. Da kleine Schweißfehler wie Risse und Poren häufig in einer Laserstrahlnaht zu finden sind und sich der kleine Spalt bei der Überlappnaht wie ein abgestumpfter makroskopischer Riss auswirkt, bieten sich bruchmechanische Untersuchungen für die Bewertung des Bruchverhaltens von Überlappnähten an. Bei den Untersuchungen [BUR02] an Feinkornbaublechen mit Ausgangsdicke von 10 mm wurde eine Abhängigkeit des Rissverhaltens von dem Overmatching-Grad, der Risswiderstandskurve und der Breite der Schmelzzone festgestellt. Beobachtet wurden folgende unterschiedliche Bruchvorgänge: Sprödbruch im Schweißgut, stabiles Risswachstum im Schweißgut mit geringem Risswiderstand und Ausweichen des Zähbruchs (zum Teil nach pop-in ) in den Grundwerkstoff entlang eines steilen Overmatching- Gradienten. Für dünne Bleche aus hochfesten Stählen sind bisher keine Ergebnisse von bruchmechanischen Untersuchungen verfügbar. 2.3 Ermittlung von Verbindungskennwerten für die Crashsimulation Für die effiziente Bewertung von verschiedenen Fügeverfahren werden Einelementproben verwendet, bei denen die Lasteinleitung symmetrisch in die Verbindungen eingebracht wird. Zumeist werden dafür einfach überlappte Proben verwendet, welche die Lasteinleitungen in Scherzug- und Kopfzugrichtung zulassen aber keine Aussagen zum Verhalten der Verbindungen unter kombinierten Scherzug-Kopfzugbeanspruchungen erlauben, wie sie gerade im realen Fall auftreten. Hierzu wurde am LWF das KS-2-Prüfkonzept entwickelt, welche kombinierte Beanspruchungen in die Verbindungen über Lastwinkelvariationen ermöglicht [HAH99]. Es können beliebige Belastungswinkel zwischen reinem Kopfzug (KS-2-90 ) und reinem Scherzug (KS-2-0 ) geprüft werden. Mit Hilfe der ermittelten Maximalkräfte lassen sich schnittkraftbasierte Versagenskurven ermitteln, wobei in bisherigen Forschungsvorhaben ü- berwiegend die Belastungswinkel 0, 30, 60 und 90 herangezogen wurden (Bild 1). Mit einer abgewandelten KS-2-Probe lässt sich zusätzlich die für die Crashsimulation wichtige Schälzugbelastung realisieren [DÜP06]. 3

15 Stand der Technik Schälzug Maximalkraft Kopfzug (90 ) F K,max F Kmax [kn] Maximalkraft Kopfzug (90 ) Fmax,k [kn] Streuung + Mittelwert Streuung - Bild 1: LWF-KS-2-Prüfkonzept Maximalkraft Scherzug (0 ) F max,s F [kn] Smax [kn] Zur Bewertung des Trag- und Versagensverhaltens von unterschiedlichen Fügeverfahren an einfachen bauteilähnlichen Proben, die zumeist aus Halbschalen (Doppelhut-Proben) bestehen, wurden ebenfalls Crashuntersuchungen durchgeführt [DRE92, MAG93]. Zusätzlich wurden T-Stoß-Proben verwendet, die zum Teil eine bessere Bewertung des Trag- und Versagensverhalten der entsprechenden Verbindungen erlauben [HAH04]. Bei der Ermittlung von Verbindungskennwerten unter schlagartiger Belastung können die gemessenen Kraftwerte von Trägheitskräften und Eigenschwingungen überlagert werden. Die Trägheitskräfte resultieren aus den beschleunigten Massen des Einspannstrangs, die aus der Ruhelage heraus auf die gewünschte Prüfgeschwindigkeit beschleunigt werden. Auf diese Weise entsteht auch der so genannte Inertial Peak, der die Kraftmessung am Versuchsbeginn überlagert. Der Einspannstrang ist ein schwingfähiges System, das infolge der schlagartigen Belastung in Schwingung versetzt wird, wobei die Steifigkeit des Aufbaus eine wesentliche Rolle spielt (Bild 2). Die Höhe der Kraftamplituden wird vor allem durch die auftretenden Trägheitskräfte bestimmt. Je weiter der Kraftmessort von der beanspruchten Probe bzw. Verbindungsstelle gewählt wird, desto größer sind in der Regel die dazwischen liegenden Massen des Einspannstrangs und somit die auftretenden Trägheitskräfte [HOM87, MEY88]. 7 Inertial Peak 6 5 Eigenschwingungen Kraft F [kn] Weg s [mm] Bild 2: Dynamische Effekte bei der Ermittlung von Verbindungskennwerten unter schlagartiger Belastung Die ermittelten Schwingungen treten nicht an der Verbindungsstelle auf. Dies bestätigen auch Messungen aus Hochgeschwindigkeitszugversuchen an Flachzugproben zur Ermittlung von dehnratenabhängigen Werkstoffkennwerten. Hierbei werden bei hohen Dehnraten die Kräfte lokal auf der Probe mittels DMS gemessen. Die lokal gemessene Kraft wird kaum durch 4

16 Stand der Technik Schwingungen überlagert, wohingegen die globale Messung deutlich durch die oben beschriebenen dynamischen Effekte verfälscht wird (Bild 3) Werkstoff: DP 500 Dehnrate: 250 s -1 Spannung global (Piezo) Spannung lokal (DMS) Spannung [MPa] ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 Dehnung, log. Dehnung Bild 3: Schwingungen in Abhängigkeit vom Kraftmessort im Hochgeschwindigkeitszugversuch Die dynamischen Effekte verringern sich mit sinkender Prüfgeschwindigkeit. Die Grenzgeschwindigkeit ab der Verbindungskennwerte unverfälscht ermittelt werden können hängt von der Steifigkeit und dem Gewicht des verwendeten Einspannstrangs und dem zu untersuchenden Werkstoff ab. 2.4 Modellierung von Laserstrahlnähten Zur Simulation der Tragfähigkeit von Laserstrahlverbindungen von Stählen liegen nur wenige Ergebnisse vor. In [BUR00] wurden bruchmechanische Versuche an SE(B)-Proben mit einer Stumpf-Laserstrahlnaht mit Modellierung von unterschiedlichen Werkstoffzonen simuliert. Durch den Einsatz der aus Minizugversuchen ermittelten zonenspezifischen Fließkurven kann das gemessene Globalverhalten von verschiedenen Proben mit Rissen durch die Simulation wiedergegeben werden. Aus Sicht der Anwendung von neuen numerischen Methoden ist die Arbeit von [CHR04] über die Modellierung des Versagens von geschweißten Aluminium- Automobilkomponenten für die hier geplanten Untersuchungen relevant. Einerseits wurde festgestellt, dass mit detaillierter Modellierung von verschiedenen Werkstoffzonen und durch Einsatz eines übertragbaren Versagensmodells die Rissinitiierung und -ausbreitung im Grundwerkstoff oder im Schweißbereich gut vorhergesagt werden können. Andererseits wurde deutlich, dass die derzeitig verfügbaren Rechenkapazitäten keinen Einsatz solcher Detailmodelle für die Gesamtfahrzeugsimulation erlauben. Um eine Modellierung von Fügeverbindungen bei der Crashsimulation mit einem möglichst geringen Aufwand zur ermöglichen, wurden so genannte Ersatzmodelle entwickelt und hauptsächlich für Schweißverbindungen verwendet [LS04, PAM04, ABA03]. Die in kommerziellen FE-Crashcodes verfügbaren Modellierungstechniken für Fügeverbindungen erlauben, dass die zu fügenden Bauteile unabhängig voneinander vernetzt und mit einfachen Ersatzmodellen verbunden werden. Die typischen Ersatzmodelle (z.b. PLINK, ELINK oder LLINK von PAM- CRASH) für verschiedene Fügeverbindungen koppeln zwei zu fügende Bleche mit einer oder mehreren Penalty-Federn, die Penalty Kräfte zwischen den beiden gebundenen Punkten in der normalen und tangentialen Richtung generieren. Wenn die Penalty Kräfte die Versagenskurve der Verbindung, die eine Funktion der maximalen Zug- und Scherkräfte für beliebige Belastungswinkel darstellt, erreichen, wird die Verbindung nach unterschiedlichen Ansätzen gelöst. Für eine verbesserte Modellierung der Biege- und Torsionssteifigkeit stehen auch Ersatzmodelle aus Hexaeder-Elementen zur Verfügung [LS04]. Die Schwächen solcher auf Kräften basierenden Ersatzmodelle ist der große Aufwand für die Ermittlung von Ein- 5

17 Stand der Technik gangsdaten (Versagenskurven). Dies wurde bei Untersuchungen von Schweißpunkten festgestellt. Bis heute liegen noch keine Forschungsergebnisse über die Anwendung von Ersatzmodellen für die Simulation von Laserstrahlverbindungen vor. Zusammenfassend wird festgestellt, dass zahlreiche Untersuchungen zur Schweißeignung von Stählen zum Laserstrahlschweißen und zur Optimierung von Schweißprozessen durchgeführt wurden. Allerdings liegen noch keine Ergebnisse über das Verformungs- und Versagensverhalten von laserstrahlgeschweißten Stahlblechen unter Crashbelastung mit Berücksichtigung von Einflüssen der Belastungsart, des Belastungswinkels und der Nahtgeometrie vor. Die Modellierung von laserstrahlgeschweißten Komponenten ist für eine zuverlässige Prognose der Tragfähigkeit durch Crashsimulationen immer mehr von Bedeutung und noch nicht Stand der Technik. Es sind keine effizienten numerischen Methoden wie z.b. Ersatzmodelle mit übertragbaren Versagenskriterien für Laserstrahlverbindungen vorhanden. Es besteht auch großer Bedarf, eine Standardvorgehensweise zur Ermittlung von crashrelevanten Eigenschaften von Laserstrahlverbindungen für die Crashsimulation zu erstellen. 6

18 Ziel des Forschungsvorhabens 3 Ziel des Forschungsvorhabens Ziel des Projekts ist die Entwicklung, Verifizierung und Bereitstellung einer numerischen Methode für die Crashsimulation von laserstrahlgeschweißten Automobilkomponenten unter Einbeziehung von notwendigen Messtechniken zur Kennwertermittlung. Mit realisierbarem Rechenaufwand soll damit das Verformungs- und Versagensverhalten der Laserstrahlnähte von realen Bauteilen unter Crashbelastung simuliert werden. Weiterhin sollen die Einflüsse der Belastungsart (Scherzug, Kopfzug, Biegung), der Dehnrate und der Nahtgeometrie bzw. Nahtform auf die Tragfähigkeit von Laserstrahlverbindungen experimentell und numerisch untersucht werden. Daraus soll eine Vorgehensweise für die Ermittlung der Eingangsdaten für die Crashsimulation abgeleitet werden. Zur Verifizierung des Verfahrens werden Bauteilversuche unter ausgewählten typischen Belastungen durchgeführt und mit der numerischen Methode d.h. dem zu entwickelnden Ersatzmodell berechnet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Bei der Untersuchung werden Laserstrahlverbindungen aus Stählen unterschiedlicher Festigkeitsklassen betrachtet und zusätzlich der Einfluss der Blechdicke untersucht. Für die Entwicklung von effizienten numerischen Methoden und Ersatzmodellen für die Crashsimulation besteht großer Handlungsbedarf. Aufbauend auf den Ersatzmodellen für Schweißpunkte soll ein Verfahren mit möglichst geringem Modellierungs- und Rechenaufwand für die Crashsimulation von Laserstrahlschweißverbindungen von Stahlblechen entwickelt und verifiziert werden. Dazu wird das Verformungs- und Versagensverhalten von verschiedenen Laserstrahlschweißnähten (z.b. Liniennaht und Klammernaht) für unterschiedliche Stähle mit Berücksichtigung des Einflusses der Belastungsart (Scherzug, Kopfzug, Biegung) und der Dehnrate experimentell charakterisiert. Zur Verifizierung des Verfahrens werden Bauteilversuche unter ausgewählten kritischen Belastungen durchgeführt und mit den neuen Ersatzmodellen berechnet. Zum Abschluss des Projekts wird zur Ermittlung von Eingangsdaten für die neuen Ersatzmodelle eine Standardvorgehensweise für weitere industrielle Anwendungen festgelegt. 7

19 Probenfertigung und Werkstoffcharakterisierung 4 Probenfertigung und Werkstoffcharakterisierung Für die Herstellung der Laser-Schweißnähte wurden die in Bild 4 dargestellten Parameter verwendet. Bild 4: Schweißparameter 4.1 Laserstrahlschweißung, Fertigung von verschiedenen Proben und Zusammenstellung von Grundwerkstoffdaten (LWF) Hergestellt und untersucht wurden die in Bild 5 dargestellten artreinen Laserschweißverbindungen mit den entsprechenden Schweißnahtformen. Splinenaht, l ges = 18, Liniennaht, l ges = 18,0 18 DC04; t = 1,5 TRIP700; t = 1,5 TRIP700; t = 2,0 Klammernaht, l ges = 18,7 5 8 Bild 5: Versuchsmatrix KS-2, Schäl- und Scherzugversuche 8

20 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Für die Charakterisierung der eingesetzten Werkstoffe und als Grundlage für die Simulation wurden quasistatische Zugversuche (Dehnrate 0,004 1/s) zur Ermittlung der wahren Spannungs-Dehnungskurven durchgeführt. Die Versuchsergebnisse bei höheren Dehnraten wurden von den industriellen Projektpartner zur Verfügung gestellt. (siehe Bild 6 und Bild 7). σw [MPa] s s-1 20 s-1 1 s s s-1, LWF Daten aus früheren Projekt, (Quelle: VW) 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ε w Bild 6: Wahre Spannungs-Dehnungskurven in Abhängigkeit der Dehnrate für den Werkstoff DC04 Bild 7: Wahre Spannungs-Dehnungskurven in Abhängigkeit der Dehnrate für den Werkstoff TRIP700 5 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen 5.1 Gefügecharakterisierung (IWM) Das integrale Verformungs- und Bruchverhalten einer Laserstrahlverbindung wird maßgeblich vom Grad des Mismatch-Effekts beeinflusst. Das Gefüge in verschiedenen Materialzonen hängt vom verwendeten Werkstoff und von den Prozessparametern des Laserstrahlschweißens ab. Das Gefüge in verschiedenen Laserstrahlnähten wurde durch metallografische Untersuchungen analysiert und Härteprofile für jeden untersuchten Typ der Laserstrahlnähte aufgenommen. 9

21 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Metallografische Untersuchungen an Lasernähten aus DC04 Zu Beginn der metallografischen Untersuchungen der unbelasteten, geschweißten Lasernähte wurde die chemische Zusammensetzung des Ausgangsblechs des zu untersuchenden niederfesten Stahls DC04 analysiert. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis der Analyse. Der geringe Kohlenstoffgehalt lässt vorab darauf schließen, dass sich im Schweißgut kein martensitisches, sondern ein bainitisches Gefüge ausbilden wird. Für DC04 wurden zwei unterschiedliche Nahtformen, eine Liniennaht und eine Splinenaht, untersucht. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung des Stahls DC Liniennaht in DC04 Zuerst werden die metallographischen Untersuchungen des Ausgangszustands der Laser- Liniennaht in DC04 vorgestellt. Bild 8 zeigt links die Oberseite der Lasernaht, d.h. die dem Laser zugewandte Seite, einer einfach überlappten Scherzugprobe und rechts vergrößert die Lasernaht, die auf der Nahtoberseite eine Länge von 20,6 mm hat. Nahtanfang, d.h. Beginn der Laserschweißung, und Nahtende, d.h. Ende der Laserschweißung, sind gekennzeichnet. Bild 9 zeigt entsprechende Ansichten der Nahtunterseite, d.h. die dem Laser abgewandte Seite, wo eine Nahtlänge von 17,8 mm gemessen wurde. 45 mm Bild 8: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe mit Probenbreite 45 mm, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtoberseite, d.h. dem Laserstrahl zugewandte Seite (rechts) Bild 9: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtunterseite, d.h. dem Laserstrahl abgewandte Seite 10

22 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen In Bild 10 oben sind die Lagen der drei Schliffe, die quer durch die Lasernaht der einfach ü- berlappten Scherzugprobe gelegt wurden, eingezeichnet. Pos. 1 liegt am Nahtanfang, Pos. 2 in der Nahtmitte und Pos. 3 am Nahtende. Bild 10 unten zeigt die geätzten Querschliffe an den drei Positionen. Am Nahtanfang ist eine leichte Nahtüberhöhung und am Nahtende eine Kerbe auf der Oberseite erkennbar. Am Nahtende reduziert sich der Nahtquerschnitt in Richtung des unteren Blechs. In den Querschliffbildern sind auch die Härteeindrücke erkennbar. Die Härteverläufe sind an allen drei Positionen über die Nahtbereiche jeweils in der Blechmitte des oberen und unteren Blechs gemessen worden. Bild 10: Oben: Lage der drei Querschliffe durch die Liniennaht (Pos.1 Nahtanfang, Pos. 2 Nahtmitte, Pos3 Nahtende) und unten: geätzte Querschliffe mit Lage der Härteeindrücke Die Nahtbreite in der Nahtmitte beträgt 1,5 mm (Bild 11 links). Das Diagramm in Bild 11 rechts vergleicht die gemessenen Härtewerte im unteren und oberen Blech bei Position 2 d.h. in der Nahtmitte. Bis auf zwei Härtewerte im Schweißgut sind diese Verläufe sehr ähnlich. 1,5 mm Bild 11: Links: Querschliff der DCO4-Liniennaht in der Nahtmitte (Pos.2) mit Kennzeichnung der Härteeindruckpositionen, rechts: gemessenen Härtewerte im oberen und unteren Blech Zur Korrelation der Härtewerte mit dem Gefüge sind in Bild 12 die gemessenen Härteverläufe positionsgenau den im Schliffbild sichtbaren Härteeindrücken überlagert. Der Grundwerkstoff 11

23 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen ist über eine Breite ca. 3,5 mm durch die eingebrachte Wärme beim Schweißen beeinflusst, wobei auch im nicht sichtbar veränderten Gefüge höhere Härtewerte gemessen werden. Bild 12: Positionsgenaue Überlagerung der Härteverläufe im oberen Blech (links) und unteren Blech (rechts) mit dem Schliffbild der DC04 Liniennaht in der Nahtmitte Alle an der Laser-Liniennaht gemessenen Härteverläufe sind in Bild 13 dargestellt, aufgeteilt in die Messungen am oberen und unteren Blech. Die Härtewerte der Schweißzonen im unteren Blech sind tendenziell etwas geringer. Daraus wurden Mittelwerte für die Härte im Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Schweißgut berechnet. Die mittlere Härte beträgt im Grundwerkstoff 108 HV0,1, in der Wärmeeinflusszone 131 HV0,1 und im Schweißgut 202 HV0,1 (Tabelle 2). Dies ergibt eine relative Aufhärtung von 1,9 im Schweißgut und von 1,2 in der Wärmeeinflusszone bzgl. der Grundwerkstoffhärte des DC04. Bild 13: Gemessene Härteverläufe über die DC04 Liniennaht am Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende im oberen (links) und unteren (rechts) Blech Härte Mittelwerte Liniennaht DC04 1,5mm GW [HV0,1] WEZ [HV0,1] SG [HV0,1] oberes Blech 106,7 130,6 206,3 unteres Blech 108,8 132,3 197,7 gesamt Tabelle 2: Mittlere Härtewerte der Laser-Liniennaht in DC04 für Grundwerkstoff (GW), Wärmeeinflusszone (WEZ) und Schweißgut (SG) Bild 14 zeigt das Gefüge der Laserschweißung in DC04 an vier unterschiedlichen Positionen. Der Grundwerkstoff DC04 hat ein ferritisches Gefüge mit Tertiärzementit (Bild 14 links oben). Im Schweißgut bildet sich ein bainitisches Gefüge aus (Bild 14 rechts unten). In der Wärmeeinflusszone bildet sich ein ferritisch-bainitisches Mischgefüge (Bild 14 links unten). 12

24 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 14: Gefüge der DC04 Laser-Liniennaht an vier Positionen: GW (links oben), Beginn sichtbare WEZ (rechts oben), WEZ (links unten) und Schweißgut (rechts unten) Der Spaltabstand, d.h. der Abstand der zwei zusammengeschweißten Bleche bei der Liniennaht wurde an den drei Positionen Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende an den Querschliffen gemessen (Bild 15) und beträgt im Mittel 130 µm. 13

25 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 15: Spaltabstände der DC04 Liniennaht an den drei Positionen Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende Splinenaht in DC04 Nun werden die metallographischen Untersuchungen des Ausgangszustands der Laser- Splinenaht in DC04 vorgestellt. Die Untersuchungen wurden analog zur Liniennaht durchgeführt. Bild 16 zeigt links die Oberseite der Lasernaht, d.h. die dem Laser während des Schweißens zugewandte Seite, einer einfach überlappten Scherzugprobe und rechts vergrößert die Splinenaht, die auf der Nahtoberseite eine Länge von 19,4 mm hat. Nahtanfang, d.h. Beginn der Laserschweißung, und Nahtende, d.h. Ende der Laserschweißung, sind gekennzeichnet. Bild 17 zeigt entsprechende Ansichten der Nahtunterseite, d.h. die dem Laser abgewandte Seite, wo eine Nahtlänge von 17,0 mm gemessen wurde. 45 mm Bild 16: Links: Splinenaht einer einfach überlappten Scherzugprobe (Probenbreite 45 mm) auf der Nahtoberseite, d.h. dem Laserstrahl zugewandte Seite, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtoberseite Bild 17: Links: Splinenaht einer einfach überlappten Scherzugprobe auf der Nahtunterseite, d.h. dem Laserstrahl abgewandte Seite, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtunterseite Bild 18 zeigt oben die Lagen der drei Schliffe, die durch die Splinenaht gelegt wurden. Position 1 liegt am Nahtanfang, Position 2 in der Nahtmitte und Position 3 am Nahtende und unten die zugehörigen geätzten Querschliffe. Am Nahtanfang ist eine leichte Nahtüberhöhung und der gebogene Verlauf der Splinenaht erkennbar. Am Nahtende hat sich auf der Oberseite eine starke Kerbe ausgebildet. In den Querschliffbildern sind auch die Härteeindrücke erkennbar, die wie bei der Liniennaht positioniert und gemessen wurden. 14

26 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 18: Oben: Lage der drei Querschliffe durch die Splinenaht (Pos.1 Nahtanfang, Pos. 2 Nahtmitte, Pos3 Nahtende) und unten: geätzte Querschliffe mit Lage der Härteeindrücke Die Nahtbreite in der Nahtmitte beträgt 1,5 mm (Bild 19 links). Das Diagramm in Bild 19 rechts vergleicht die gemessenen Härtewerte im unteren und oberen Blech bei Position 2, d.h. in der Nahtmitte, die sehr ähnlich sind. Bild 19: Links: Querschliff der DCO4-Splinenaht in der Nahtmitte (Pos.2) mit Kennzeichnung der Härteeindruckpositionen, rechts: gemessenen Härtewerte im oberen und unteren Blech Zur Korrelation der Härtewerte mit dem Gefüge sind in Bild 20 die gemessenen Härteverläufe positionsgenau den im Schliffbild sichtbaren Härteeindrücken überlagert. Die Breite des Grundwerkstoffs, der durch den Wärmeeintrag beim Schweißen beeinflusst wurde, beträgt wie bei der Liniennaht ca. 3,5 mm. 15

27 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 20: Positionsgenaue Überlagerung der Härteverläufe im oberen Blech (links) und unteren Blech (rechts) mit dem Schliffbild der DC04 Splinenaht in der Nahtmitte Die gemessenen Härteverläufe im oberen und im unteren Blech sind in Bild 21 dargestellt. Die Härtewerte im oberen Blech sind tendenziell etwas höher, insbesondere am Nahtanfang und - ende, eventuell bedingt durch die abgerundete Nahtform. Die Mittelwerte für die Härte im Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Schweißgut der Splinenaht sind in Tabelle 3 dargestellt. Die mittleren relativen Aufhärtungen im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone bzgl. der Grundwerkstoffhärte des DC04 entsprechen denen der Liniennaht. Die Gefüge der Splinenaht und Liniennaht in DC04 unterscheiden sich nicht. Der Spaltabstand bei der Splinenaht (Bild 22) beträgt im Mittel 110 µm. Härte Mittelwerte Splinenaht DC04 1,5mm GW [HV0,1] WEZ [HV0,1] SG [HV0,1] oberes Blech 105,1 131,7 206,4 unteres Blech 106,5 131,1 195,2 gesamt Tabelle 3: Mittlere Härtewerte der Splinenaht in DC04 für Grundwerkstoff (GW), Wärmeeinflusszone (WEZ) und Schweißgut (SG) Bild 21: Gemessene Härteverläufe über die DC04 Splinenaht am Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende im oberen (links) und unteren (rechts) Blech 16

28 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 22: Spaltabstände der DC04 Splinenaht an den drei Positionen Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende Metallografische Untersuchungen an Lasernähten aus TRIP700 Aus dem hochfesten Mehrphasenstahl TRIP700 wurden Lasernähte in zwei Blechdicken von 1,5 mm und 2,0 mm untersucht. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der chemischen Analysen der zwei Blechdicken. Beim Vergleich zeigten sich keine Auffälligkeiten. Für TRIP700 wurden für jede Blechdicke zwei unterschiedliche Nahtformen, eine Liniennaht und eine Klammernaht, untersucht. Tabelle 4: Chemische Zusammensetzung des Stahls TRIP700 für die Blechdicken 1,5 mm (oben) und 2,0 mm (unten) Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm Zuerst werden die metallographischen Untersuchungen des Ausgangszustands der Laser- Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm vorgestellt. Bild 23 zeigt links die Oberseite der Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe für Querschliffe. Die Lasernaht, die eine Länge von 20,4 mm auf der Nahtoberseite hat, ist vergrößert rechts in Bild 23 dargestellt. Nahtanfang, d.h. Beginn der Laserschweißung, und Nahtende, d.h. Ende der Laserschweißung sind gekennzeichnet. Bild 24 zeigt entsprechende Ansichten der Nahtunterseite, d.h. die dem Laser abgewandte Seite, wo eine Nahtlänge von 17,3 mm gemessen wurde. Entspre- 17

29 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen chende Ansichten zeigen Bild 25 und Bild 26 für eine weitere Probe bzw. Liniennaht, an der ein Längsschliff, d.h. ein Schliff in Nahtrichtung angefertigt wurde. 45 mm Bild 23: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe (Probenbreite 45 mm) aus TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm für Querschliffe, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtoberseite, d.h. dem Laserstrahl zugewandten Seite Bild 24: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe aus TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm für Querschliffe, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtunterseite, d.h. dem Laserstrahl abgewandten Seite 45 mm Bild 25: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe (Probenbreite 45 mm) aus TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm für Längsschliff, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtoberseite, d.h. dem Laserstrahl zugewandten Seite Bild 26: Links: linienförmige Lasernaht einer einfach überlappten Scherzugprobe aus TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm für Längsschliff, rechts: Abmessungen der Lasernaht auf der Nahtunterseite, d.h. dem Laserstrahl abgewandten Seite 18

30 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 27 oben zeigt die Lage der drei Schliffe, die durch die Liniennaht aus TRIP700 in Blechdicke 1,5 mm quer zur Naht gelegt wurden. Die zugehörigen Schliffbilder sind darunter dargestellt. Position 1 bis 3 bezeichnen wie zuvor Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende. Bild 28 zeigt die gemessenen Härtewerte im unteren und oberen Blech aller drei Positionen mit Korrelation zu den Schliffbildern. Verglichen mit der Liniennaht in DC04 gleicher Blechdicke ist die geringere Nahtbreite in der Fügeebene von 1,0 mm in der Nahtmitte auffällig. Bild 27: Oben: Lage der drei Querschliffe durch die Liniennaht (Pos.1 Nahtanfang, Pos. 2 Nahtmitte, Pos3 Nahtende) und unten: geätzte Querschliffe mit Härteeindrücken 19

31 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 28: Links: Querschliffe durch die Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm am Nahtanfang (Pos.1, oben), in der Nahtmitte (Pos.2, Mitte) und am Nahtende (Pos.3, unten) mit Kennzeichnung der Härteeindruckpositionen, rechts: gemessene Härtewerte im oberen und unteren Blech der entsprechenden Positionen Alle gemessenen Härteverläufe an den drei Querschliffen der Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm sind in Bild 29 dargestellt. Bild 30 zeigt den Schliff in Nahtlängsrichtung, der an einer weiteren Probe angefertigt wurde. Darin wird eine große Pore sichtbar, die über die halbe Nahtdicke ausgedehnt ist. Die an diesem Schliff gemessenen Härtewerte entlang der eingezeichneten Linien im oberen Blech, in der Fügeebene und im unteren Blech sind in Bild 31 dargestellt. Bild 29: Gemessene Härteverläufe über die Liniennaht in TRIP700 mit 1,5 mm Blechdicke am Nahtanfang, in der Nahtmitte und am Nahtende im oberen (links) und unteren (rechts) Blech Bild 30: Schliffbild durch die Liniennaht aus TRIP700 in 1,5mm Blechdicke in Nahtlängsrichtung mit Lage der Härtemessungen im oberen Blech, in der Fügeebene und im unteren Blech 20

32 Charakterisierung der laserstrahlgeschweißten Verbindungen Bild 31: Ergebnisse der Härtemessungen an der Liniennaht aus TRIP700 in 1,5mm Blechdicke in Nahtlängsrichtung im oberen Blech, in der Fügeebene und im unteren Blech Die aus den Härtemessungen ermittelten Mittelwerte für Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Schweißgut der Liniennaht in TRIP700 mit Blechdicke 1,5 mm sind in Tabelle 5 eingetragen. Bei den Härtenwerten des Schweißguts wurden die Werte aus Bild 31 mit berücksichtigt. Die mittlere Schweißguthärte beträgt 462 HV0,1, die mittlere Härte der Wärmeeinflusszone 322 HV0,1 und des Grundwerkstoffs 221 HV0,1. Dies ergibt eine mittlere relative Aufhärtung von 2,1 im Schweißgut und 1,5 in der Wärmeeinflusszone bzgl. der Grundwerkstoffhärte. Härte Mittelwerte Liniennaht TRIP700 1,5mm GW [HV0,1] WEZ [HV0,1] SG [HV0,1] oberes Blech 222,4 324,4 460,8 unteres Blech 219,4 307,6 468,5 gesamt Tabelle 5: Mittlere Härtewerte der Liniennaht in TRIP700 mit 1,5 mm Blechdicke für Grundwerkstoff (GW), Wärmeeinflusszone (WEZ) und Schweißgut (SG) Gefügebilder des Grundwerkstoffs, der Wärmeeinflusszone und des Schweißguts der Liniennaht in TRIP700 sind in Bild 32 dargestellt. TRIP700 hat ein ferritisches Gefüge mit entartetem Perlit und geringen Anteilen an Bainit und Restaustenit. Das Schweißgut besteht aus Martensit mit einem geringen Anteil an unterem Bainit. Die Wärmeeinflusszone ist ein Mischgefüge, welches hauptsächlich aus Ferrit und Bainit besteht. Die Spaltabstände der TRIP700 Liniennaht ist in Bild 33 an den drei Positionen Nahtanfang, Nahtmitte und Nahtende dargestellt und betragen im Mittel 194 µm. Zusätzlich ist hier die Ausbildung der Nahtwurzel ersichtlich. Bild 32: Gefüge des Grundwerkstoffs (links), der Wärmeeinflusszone (Mitte) und des Schweißguts (rechts) der Liniennaht in TRIP700 mit 1,5 mm Blechdicke 21