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Literature : [ welding/joining technology | tests/quality control | machining/forming | constructions | costs/economy | certification ]

Fügen strukturierter Bleche - Widerstandspunkt- und Metallschutzgasschweißen


Leander Schleuß: Fügen strukturierter Bleche - Widerstandspunkt- und Metallschutzgasschweißen, Shaker Verlag, Aachen 2018

Diese Arbeit soll Aufschluss über die Schweißbarkeit strukturierter Bleche geben. Im Vordergrund der Arbeit wurden dementsprechend letztendlich das Widerstandspunkt- und das Metall-Schutzgasschweißen für strukturierte Bleche qualifiziert. Zu den Schweißverfahren werden Vorgehensweisen zum strukturgerechten Zuschnitt, zur Positionierung und zum Spannen gegeben und zukünftigen Anwendern Schweißparameter zur Verfügung gestellt. Durch statische Festigkeitsprüfungen werden Nachweise über die Qualität der erzeugten Verbindungen geführt. Vergleiche zu ebenen Blechen legen die Unterschiede zu konventionellen Halbzeugen offen. Ein Überblick zu bereits bestehenden und während der Bearbeitungszeit neu entwickelten Anwendungen soll Impulse für eine breite Anwendung strukturierter Bleche über die genannten Branchen geben.

Hintergrund: Ressourcenschonung

Entstanden ist die Arbeit vor dem Hintergrund, dass Ressourcenschonung, Energieeinsparung und Wirtschaftlichkeit auch in Bezug auf die kontinuierliche Weiterentwicklung von Leichtbauweisen hier eine Notwendigkeit ist, um anspruchsvolle ökologische und ökonomische Ziele sowie gesetzliche Vorgaben zu erreichen. Insbesondere die Branchen Automobil- sowie Luftfahrt- und Schienenverkehrsindustrie sind an fortschrittlichen Leichtbaulösungen interessiert. Strukturierte Bleche besitzen regelmäßig angeordnete Versteifungselemente, die eine erhöhte Biegesteifigkeit bewirken. Dies erzielt und ermöglicht eine Reduzierung des Bauteilgewichts oder bei gleicher Dicke eine Erhöhung der Steifigkeit von Baugruppen. Neben der Steifigkeitserhöhung weisen strukturierte Bleche einen verbesserten Wärme- und Stoffaustausch, ein verändertes akustisches Verhalten und ein ansprechendes Design auf.

Gut mit dabei: der Automobilbau

Die Gestalt der Nebenformelemente wird zur Unterscheidung der strukturierten Bleche verwendet. Nebenformelemente sind es auch, die durch ihr Einbringen die Biegesteifigkeit des Bleches deutlich erhöhen. Ihre Gestalt kann aus einer Wabenstruktur, wie deren Anwendung in der vorliegenden Arbeit ausführlich geschildert wird, Kugelstruktur, Kreuzstruktur und Höckerstruktur bestehen.
Damit diese strukturierten Bleche in den genannten Branchen eingesetzt werden können, müssen Fragen zum halbzeuggerechten Zuschnitt und zum Fügen strukturierter Bleche beantwortet werden, wie es auch im Folgenden geschieht. Strukturierte Bleche werden in verschiedenen Bauteilen eingesetzt, zum Beispiel im Bereich des Automobilbaus. Hier wurden strukturierte Bleche im Opel Zafira als Verstärkung der Motorhaube und im Daimler SLK als Rückwand zwischen hinterer Fahrgastzelle und Kofferraum sowie als Bodenblech im Kofferraum verwendet. Auch als Wärmeabschirmbleche werden strukturierte Bleche in der Praxis eingesetzt.

F & E: Mit dem Ziel einer erhöhten Biegesteifigkeit

Forschung und Entwicklung, die sich für fortschrittliche Leichtbaulösungen und strukturierte Bleche interessieren, verfolgen dabei unterschiedliche Ansätze zur Gewichtsreduzierung, wie unter anderem den Einsatz neuer leichter Werkstoffe oder die Integralbauweise. Der Einsatz von strukturierten Blechen erhöht, ähnlich wie Sicken, die Steifigkeit von dünnwandigen Bauteilen. Strukturierte Bleche haben zum Vorteil, dass sie regelmäßig angeordnete Versteifungselemente besitzen, die insbesondere eine erhöhte Biegesteifigkeit bewirken. Dadurch wird eine erhöhte Steifigkeit ermöglicht, die eine Reduzierung des Bauteilgewichts ermöglicht oder bei gleicher Dicke eine Erhöhung der Baugruppensteifigkeit erzielt. Derzeitige Prozessketten der Weiterverarbeitung von ebenen Blechen bestehen aus dem Bauteilzuschnitt, dem Umformen, dem Fügen und dem Einstellen bestimmter Oberflächen-Eigenschaften. Erstmals wurden die strukturierten Bleche nicht mit Fokus auf Charakterisierung des Halbzeugs und auf Umformbarkeit hin untersucht. Weil es nicht möglich war, durchgängige Prozessketten herzustellen, wurde ein anderer Ansatz gewagt. Die Arbeit stellt dem Wissenschaftler umfangreiche Untersuchungsergebnisse zu den Fügeverfahren Widerstandspunkt und Metall-Schutzgas-Schweißen an strukturierten Blechen vor. Aus den gewonnenen Kenntnissen leitet die Arbeit Strategien zur halbzeuggerechten Weiterverarbeitung strukturierter Bleche ab.

Mit systematischem Vorgehen und gezielten Untersuchungen zum Ergebnis kommen

Im Bereich des Widerstandspunktschweißens wurden die Bewertung von günstigen Fügeorten und den daraus resultierenden konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten durchgeführt. Im Anschluss daran erfolgten systematische Untersuchungen zu geeigneten Elektrodengeometrien und den daran gekoppelten Prozessfenstern sowie zum Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die Verbindungsfestigkeit. Beim Metall-Schutzgasschweißen wurden Betrachtungen zum Zuschnitt der Bleche vorgenommen. Für strukturierte Bleche mit der Schlüsselweite SW – 33 mm mit einer Strukturhöhe von h – 3,0 mm wurden unter Einsatz von wärmereduzierten Metallschutzgas-Schweißprozessen durch Modellversuche sowie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die auf die Schweißbarkeit einflussnehmenden Parameter identifiziert. Anschließend erfolgte die Ermittlung von Prozessfenstern und der Spaltüberbrückbarkeit. Zur verbreiterten Anwendbarkeit der Ergebnisse dienten Schweißversuche an strukturierten Blechen mit weiteren Schlüsselweiten und Strukturtiefen unter Berücksichtigung der dreidimensionalen Blechtopologie durch Einsatz einer Höhenkorrektur.

Stand der Kenntnisse: Schlussfolgerungen und Zielstellungen

In Kapitel 2 wird umfassend der aktuelle Stand der Technik, mit Blick speziell auf die Eigenschaften strukturierter Bleche, zum Beispiel die höhere Steifigkeit bei geringem Gewicht, günstigere Strömungseigenschaften, ein verbesserter Wärmeaustausch an strukturierten Wänden und ein ansprechendes Design behandelt. Obwohl hier denkbar positive Eigenschaften aufgezählt werden, werden strukturierte Bleche derzeit nur vermindert in den Industriezweigen Automobilbau, Schienenfahrzeugbau sowie Bauwesen eingesetzt und sind darüber hinaus für die Luft- und Raumfahrt und den Behälterbau interessant. Die im Stand der Kenntnisse zitierten Arbeiten zeigen Untersuchungen über strukturierte Bleche im Bereich der Umformung. Die Bestimmung von Eigenschaften sowie erste Ansätze zur Modellierung sowie Simulation wurden vorgenommen. Vereinzelt liegen Untersuchungen zum thermischen Schneiden und Fügen strukturierter Bleche vor.

Hinderlich: zusätzliche Prozessschritte

Hier wird beispielsweise vorgeschlagen, Fügeinseln für punktuelle Verbindungen (wie Schrauben und Nieten) in ein strukturiertes Blech einzuprägen. Zusätzlich notwendige Prozessschritte entstünden daraus jedoch als Nachteil, genauso wie die Verformung der Struktur mit einhergehender Reduzierung der Steifigkeit und Blechdicke bei gleichzeitiger punktueller Lasteinleitung. Ein Beitrag wurde zum Laserstrahlschweißen strukturierter Bleche überdies zeitgleich zur vorliegenden Arbeit geleistet.

Weil neben entsprechenden Untersuchungen umfangreiche Ergebnisse zum Fügen strukturierter Bleche mittels Prozessen wie dem Widerstandspunkt- oder MSG-Schweißen, welche für die genannten Industriezweige relevant sind, bisher fehlten, sind diese in der vorliegenden Arbeit als Grundlagen zu diesen beiden Verfahren bzw. Verfahrensgruppen erarbeitet worden. Der Kenntnisstand vor der Fertigstellung der Arbeit ist im Bereich Fügen bis dato gering. Die Arbeit widmet sich deshalb unter anderem den offenen Fragen zur Technologie, zu Parametersätzen und zu den Festigkeiten gefügter strukturierter Bleche im Vergleich zu Referenzproben aus ebenen Blechen.

Solche Fragen sind zum Beispiel:

„Wie lassen sich dünne Bleche von 0,5 mm und 0,7 mm thermisch fügen?“, „Muss die Struktur beim Fügen berücksichtigt werden?“, „Welche Stabilität weisen die Prozesse beim Fügen auf?“ oder „Welche Fertigungstoleranzen sind zulässig?“

Hauptziel der Arbeit ist die Qualifizierung der Verfahren MAG und dessen wärmereduzierter Prozessvariante CMT® sowie des Widerstandspunktschweißens mit Strukturerhalt. Das erhält die positiven Eigenschaften der Struktur. Die zum Thema gestellten Fragen werden im Laufe der Arbeit beantwortet. Weiteres Ziel der Arbeit ist es, durch die Bearbeitung der Aufgabenstellung und die positive Beantwortung der Fragestellungen die zu untersuchenden Verfahren für strukturierte Bleche zu qualifizieren. Aufgaben sind zum Einen die Charakterisierung der strukturierten Bleche aus schneid- und fügetechnischer Sicht, die Ableitung der Unterschiede beim Fügen von ebenen und strukturierten Blechen, die Auswahl geeigneter Fügestrategien, Verfahrensvarianten und Stoßarten, der Vergleich der erzielbaren Verbindungsfestigkeiten an strukturierten und ebenen Blechen sowie der Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die Verbindungsfestigkeiten.
Damit soll die Lücke in der Prozesskette für strukturierte Bleche geschlossen und deren Anwendung im industriellen Umfeld verbessert werden.

Widerstandspunktschweißen und Techniken

Die Schweißbarkeit strukturierter Bleche ist durch die dreidimensionale Struktur der Bleche beeinflusst. Die Schweißeignung wird hauptsächlich durch den Werkstoff bestimmt und verändert sich daher bei strukturierten Blechen gegenüber ebenen Flächen gleichen Werkstoffs nicht wesentlich. Die Schweißsicherheit wird für Konstruktionen durch vorgegebene Schweißorte bzw. Konstruktionsmaße bestimmt. Genaueres ist in Kapitel 4.1.4 zu lesen. Das Schweißen selbst ist unter anderem mit der Wechselstromtechnik oder Mittelfrequenzgleichstrom möglich. Entsprechende Modellversuche finden sich in Kapitel 5.3.1.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Schweißbarkeit strukturierter Bleche wird durch die dreidimensionale Struktur der Bleche beeinflusst, sodass bei den einzelnen Verfahren Schweißbedingungen entstehen, die sich von denen an ebenen Flächen unterscheiden. Durch die Struktur können bei zwei strukturierten Fügepartnern flächige Verbindungen mittels Ineinanderlegen der Strukturelemente hergestellt werden. Unabhängig von den Fügeverfahren entstehen überdies neue Verbindungsmöglichkeiten zwischen strukturierten und ebenen, aber auch zwischen zwei strukturierten Blechen. Das Widerstandspunktschweißen wurde im Rahmen des Projektes erarbeitet und anschließend als Patent angemeldet. Die vorgängig erwähnten Schweißverfahren MSG-Schweißen und CMT®-Schweißen besitzen bei guter Positionierung und Lagesicherung der Bleche ein gutes Schweißverhalten. Somit konnten durch die Qualifizierung des MSG-Schweißens und des Widerstandspunktschweißens zwei neue Ansätze für die Anwendung strukturierter Bleche entwickelt werden. Wenn die Strukturierung der Steifigkeit erhöht wird, können damit gegebenenfalls bessere Produkteigenschaften (zum Beispiel eine erhöhte Produktsteifigkeit) erzielt werden.

Erhältlich bei

Shaker-Verlag Amazon
www.shaker.de