NUTZUNG LOKALER EFFEKTE VON SCHWEIßNÄHTEN BEI LASERBASIERTEN FÜGEKONZEPTEN FÜR HOCHFESTE LASTÜBERTRAGENDE STRUKTURMODULE

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1 NUTZUNG LOKALER EFFEKTE VON SCHWEIßNÄHTEN BEI LASERBASIERTEN FÜGEKONZEPTEN FÜR HOCHFESTE LASTÜBERTRAGENDE STRUKTURMODULE Dipl.-Ing. M. Schimek*, Dr. rer. nat. D. Kracht, Prof. Dr-Ing. V. Wesling Laser Zentrum Hannover, Germany Clausthal,

2 AGENDA Einleitung Zielsetzung Versuchsdurchführung Ergebnisse a) Härteverlauf quer zur Naht b) Zugbelastungsuntersuchung c) Dehnungsverhalten d) Bruchverhalten e) Nahtbreitenvariation f) Schwingfestigkeit Zusammenfassung Ausblick 2

3 EINLEITUNG Anteil an hochfesten Stahllegierungen: 42 % Geringes Gewicht bei einem Maximum an Festigkeit Crashsicherheit, Stabilität und Dauerhaltbarkeit gesteigert Quelle: Daimler Fazit: Karosseriefestigkeit von 40 % auf 70 % gesteigert Leichter, steifer und damit Blechdickenreduzierung sicherer Besteht aus hoch, höher- und geringeres höchstfesten Gewicht Stahlwerkstoffen Fahrgastzelle aus 70 % hochfesten und ultrahochfesten Stahlsorten höhere Festigkeit Gezielte Verstärkungen an Schlüsselstellen Verwindungssteifer und damit optimierte sicherer Bauweise Festigkeit von 40 auf 70,4 % gesteigerte Sicherheit Gewichtsreduzierung Behälterbau Lightbox bei gleichzeitig steigender Sicherheit Einsparung beim Eigengewicht um 45 % Optimierte und leichtere Bauweise Quelle: Quelle: Kia-Presse Autoschramm Quelle: Stahl-Info 3

4 EINLEITUNG MOTIVATION Umwelt: Kunde: Reduzierung von CO 2 -Emissionen Werkstoff Anhebung des Komforts Senkung des Fügetechnik Sicherheitstechnik Leichtbau - Aluminium - Magnesium - Hochfeste Stähle Fertigungstechnik Zunahme an Kraftstoffverbrauchs Verringerung des Fahrzeuggewichts Höhere Fahrleistung und Qualität 4

5 ZIELSETZUNG Anwendungsgebiet Zielsetzung - Laserschweißnähte zur lokalen Erhöhung der Festigkeit - Laserstrahlfügen und Anpassung der Strukturfestigkeit in einem Schritt - Beibehaltung der zuvor eingestellten gradierten Werkstoffeigenschaften - Signifikante Gewichtsreduzierung im Bereich der: 1. Automobilindustrie 2. Luftfahrtindustrie 3. Schiffbauindustrie Quelle: Audi AG Quelle: Airbus Umsetzung mit - Untersuchungen mit Blind- und Überlappnähten - Untersuchungen mit hochfesten Stählen 1. H340LAD 2. TRIP700 - Sechs unterschiedliche Schweißnahtgeometrien Quelle: Aida 5

6 LÖSUNGSKONZEPT Füge- und Verstärkungsvarianten Mögliche Nahtformen: lineare/nicht-lineare Blindnähte Stumpfstoß mit/ohne Blechdickensprünge lineare/nicht-lineare Überlappnähte Blechdickensprünge Tailored Blanks 6

7 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG LASERBEARBEITUNG Lasersystem: Yb:YAG-Laser (Scheibenlaser) Abbildungsverhältnis: 1:1 Fokusdurchmesser: 150 µm Defokussierung: bis zu 4,5 mm Laserschweißnahtbreiten: 0,5 1,5 mm Parameter: P = 2,5 3 kw, V f = 3,5 5 m/min Schutzgas: Argon Blechstärke: 1,2 mm Bogenradius: 2,0 mm Werkstoff H340LAD TRIP700 Streckgrenze [MPa] Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%]

8 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG BLINDNAHTGEOMETRIEN lineare Nähte nicht-lineare Nähte Referenzprobe Überlappnahtgeometrie Blindnahtgeometrie Überlapp- und Blindnahtgeometrie 8

9 ERGEBNISSE WERKSTOFFKUNDLICHER HINTERGRUND ZTU-Schaubild eines hochfesten Stahls ähnlich H320LA Martensitbildung innerhalb der Nähte durch Verwendung geeigneter Stähle Lokale Härtesteigerungen im Bereich der Schweißnähte Vorgabe von geeigneten Temperatur-Zeit-Zyklen möglich 9

10 ERGEBNISSE HÄRTEVERLAUF QUER ZUR NAHT Härte HV0, Position (mm) H340LAD GW: 175 HV0,2 WEZ: HV0,2 SN: HV0,2 TRIP700 GW: 200 HV0,2 WEZ: HV0,2 SN: HV0,2 TRIP700 H340LAD Fazit: Anhand der Erhöhung der Härte ist eine Festigkeitszunahme zu erwarten. 10

11 ERGEBNISSE ZUGFESTIGKEITSPRÜFUNG Lasersystem: Yb:YAG-Laser Werkstoff: TRIP700 Probe: L3 High-Speed-Aufnahme: Zugversuch nach DIN EN Prüfgeschwindigkeit: 10 mm/min Einschnürung beidseitig Riss in äußerer Blindnaht 11

12 ERGEBNISSE ZUGFESTIGKEIT ALS FKT. DER GEOMETRIE H340LAD TRIP700 G L3: R m > 30%, A < 26% G L3: R m > 24%, A < 58% R, D, W: geringer Einfluss L1, L2, L3: stetige Zunahme R m 12

13 ERGEBNISSE DEHNUNGSVERHALTEN Probe L3: eine Einschnürungszone Proben D, R, W: zahlreiche Einschnürungszonen am Probenrand Probe G: großflächige Einschnürungszone unterschiedliches Dehnungsverhalten ESPI-Verformungsmessung: Messfeldgröße: 20 x 40 mm L3 D R W G Messbereich: 2-3 µm Messauflösung: nm Referenzpunkt: Probenmittelpunkt 13

14 ERGEBNISSE ESPI-VERFORMUNGSMESSUNG +2µm +1µm 0µm -1µm -2µm X Y X Y Nach der Differenzierung: 3 lineare Blindnähte (L3) µm 1µm 2µm dreieckiger Blindnahtverlauf (D) X Y X Y

15 ERGEBNISSE BRUCHBILDANALYSE Lineare Blindnähte H340LAD duktiler Bruch Naht versetzt starke Einschnürungen TRIP700 Sprödbruch geringere Einschnürung als beim H340LAD Nicht-lineare Blindnähte Bruchbild wie bei linearen Nähten Bruchbeginn innerhalb der Blindnaht am Rand der Probe H340LAD TRIP700 15

16 ERGEBNISSE NAHTBREITENVARIATION H340LAD direkter Zusammenhang zwischen Nahtbreite und Zugfestigkeit martensitische Schweißnaht deutliche Zunahme der Zugfestigkeit Zugfestigkeit R m [MPa] Nahtbreite: TRIP700 ausgeprägte Zunahme der Zugfestigkeit bei linearen Blindnähten gegenüber dem Grundwerkstoff weist die Probe L1 mit einer Blindnahtbreite von 0,5 mm eine verringerte Zugfestigkeit auf Einfluss auf den TRIP-Effekt Zugfestigkeit R m [MPa] Nahtbreite: 16

17 ERGEBNISSE SCHWINGFESTIGKEIT Lineare Blindnähte H340LAD: höchste Schwingfestigkeit aufgrund der Linearität höhere Schwingfestigkeit als der Grundwerkstoff TRIP700: identische bzw. geringere Schwingfestigkeit als der Grundwerkstoff Nicht-lineare Blindnähte Bruch im Bereich der Nahtumorientierung geringste Schwingfestigkeit bei den untersuchten Blindnähten L1 R 17

18 ZUSAMMENFASSUNG Nachweis der Festigkeitserhöhung anhand unterschiedlicher Blindnahtgeometrien für die beiden untersuchten Stahlsorten Steigerung der Bruchspannung um bis zu 30% gegenüber dem Grundwerkstoff durch Einbringen mehrerer paralleler Blindnähte (hier: bis zu 3 Blindnähte) höhere Schwingfestigkeiten im Vergleich zum Grundwerkstoff durch Verwendung linearer Blindnähte beim Stahl H340LAD keine Schwingfestigkeitssteigerung beim Stahl TRIP700 wegen sehr hoher Zugfestigkeit im Grundwerkstoff reduzierte Schwingfestigkeit durch Schweißnähte quer zur Belastungsrichtung Anpassung der Festigkeitssteigerung über Variation der Blindnahtbreite 18

19 AUSBLICK F Angepasste/gradierte Zug- und Biegefestigkeitserhöhung bei dreidimensionalen Bauteilen F Steigerung der Druckfestigkeit Beeinflussung der Reaktionskräfte Gerichtete Formveränderung (z.b. lokales Einstellen der Faltenbildung und globale Lenkung der Verformung) Spannungsspitzenverlagerung und -verringerung 19

20 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Laser Zentrum Hannover, Germany

21 EINLEITUNG EINSATZ VERSCHIEDENER STAHLGÜTEN IM AUTOMOBIL 21

22 ERGEBNISSE ZUGFESTIGKEIT BEI MEHREREN PARALLELEN BLINDNÄHTEN Bis zu zehn lineare Blindnähte Zunahme von R m kontinuierlich A fällt mit zunehmenden R m H340LAD: G L10: R m > 80%, A < 61% TRIP700: G L10: R m > 65%, A < 81% Zugfestigkeit R m [MPa] H340LAD G A B C C L1 G L1 L2 L3 L10 Nahtgeometrie Berechneter Bereich L2 L3 L Dehnung A [%] Interpolation von R m für Proben L4 L9 und Vergleich mit experimentellen Werten Zugfestigkeit R m [MPa] G L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 Nahtgeometrie TRIP700 H340LAD 22

23 ERGEBNISSE BRUCHVERHALTEN H340LAD TRIP700 Übersicht Vergrößerung 800 µm Bruchverlauf: Sprödbruch innerhalb der Schweißnaht Ausweitung auf Grundwerkstoff Schweißnaht 100 µm H340LAD Duktilbruch (Verformungsbruch) TRIP700 Sprödbruch Grundwerkstoff 100 µm 23

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