Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dr.-Ing. Lars Wiese: Einstufiges Widerstandselementschweißen für den Einsatz im Karosseriebau, Shaker Verlag, Aachen 2018

Das Verfahren des Widerstandselementschweißens ermöglicht mittels Einsatz von konventionellen Punktschweißzangen das prozesssichere Fügen von Aluminium mit formgehärteten Stählen . Es wird in der automobilen Großserienproduktion in Form eines zweistufigen Hybridfügeverfahrens eingesetzt.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, wie die Autoren in der Zusammenfassung/im Abstract berichten, die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens zu erhöhen . So wurde im Rahmen dieser Arbeit das Widerstandselementschweißen zu einem einstufigen Fügeprozess weiterentwickelt. Die Weiterentwicklung besteht zum Beispiel darin, dass eine Warmeinprägephase anstelle des vorgelagerten mechanischen Einprägeschrittes dabei den vollständigen Fügeprozess an Punktschweißzangen ermöglicht. In dieser Arbeit werden zunächst die Einflüsse ausgewählter Elementgeometriemerkmale auf Verbindungseigenschaften untersucht.

Hintergrund: Prozessuntersuchungen

Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung und einer anschließenden Zielwertoptimierung wird im Hinblick auf optimale Verbindungseigenschaften eine Elementgeometrie entwickelt. Vor diesem Hintergrund werden dann Prozessuntersuchungen zur Warmeinpräge- und Ausschweißphase an Mehrelementproben durchgeführt, die im Vergleich zur zweistufigen Variante zu einer Verbesserung der Schweißbarkeit und Erhöhung der Prozessstabilität führen. Weiterhin wird ein Konzept für die Elementzuführung abgeleitet, welches die Bewertung der maximal zulässigen Störgrößen auf die Verbindungseigenschaften ermöglicht. Tragfähigkeitsuntersuchungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung belegen das Festigkeitspotential des Fügeverfahrens. Schließlich wird die Konzepttauglichkeit an einem seriennahen Bauteil erfolgreich nachgewiesen. Gesellschaftlicher Hintergrund, der das Forschungsinteresse begründet, ist der Druck auf die Automobilindustrie, aktuelle EU-Verordnungen umzusetzen, Emissionen zu begrenzen und zugleich neue, alternative Techniken zu nutzen. Es gilt, die Reichweite elektrisch betriebener Fahrzeuge zu erhöhen. Wie im Laufe der Arbeit, im Kapitel „Stand der Technik“ geschildert wird, geschieht dies zum Beispiel mithilfe des Multi-Material-Designs.

Im Fokus: Elektrofahrzeuge

Mithilfe dessen ist es möglich, das Mehr an Gewicht der Elektrofahrzeuge aufgrund der eingesetzten Batteriezelle zu kompensieren. Um zukünftig eine steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen produzieren zu können, muss deren zusätzliches Gewicht mit Hilfe der Leichtbautechnologie und passenden Produktionsstrategien ohne Einbußen bei der Crashstabilität kompensiert werden. Beim sogenannten intelligenten Mischbau wird gezielt auf die Kombination von Konzeptleichtbau mit Werkstoffleichtbau gesetzt. Diese Art des Mischbaus benötigt dabei für jedes Bauteil ein für die geforderten Belastungsfälle geeignetes Material. Gleichzeitig muss bei der Verwendung thermischer Fügeprozesse die physikalische und chemische Verträglichkeit zwischen den Fügepartnern berücksichtigt werden. Den gängigen und aktuellen Forschungsergebnissen zufolge eignet sich in Bezug auf die höchste Crashsicherheit besonders der Stahlleichtbau. Er kombiniert höherfeste und höchstfeste Stähle mit dem Einsatz formgehärteter Stähle.

Zukünftig werden die Hoffnungen im Leichtbau auf Eisen-Mangan-Stähle wegen des hohen Energieaufnahmevermögens, auf hybride Werkstoffkombinationen wegen der hohen gewichtsspezifischen Biegefestigkeit sowie auf Faserkunststoffverbund-Patches gesetzt. Die Eigenschaften der genannten Materialien sind mit denen von konventionellen Tiefziehstählen vergleichbar.

Im Trend: Aluminium

Aufgrund der niedrigen spezifischen Dichte im Vergleich zu Stahl hat als Substitution von Stahlbauteilen unter den Leichtmetallen das Aluminium sich durchgesetzt. Insgesamt geht die Tendenz der alternativ verwendeten Materialien hin zu den Sandwichblechen (zum Beispiel Leichtblech), Leichtmetallen (zum Beispiel Aluminium), FKV (Faserkunstoffverbunde mit Glas- und Carbonfaser) sowie in Bezug auf Prozess und verwendetem Material optimierte Kunststoffen.
Allgemein gesprochen ist in Bezug darauf, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und all die genannten Forderungen miteinander in Einklang zu bringen und zugleich zu erfüllen, dies durch die Reduzierung des Fahrzeuggewichts gegeben. Hinzu kommt, auch zukünftige Anforderungen an das Fahrzeuggewicht durch elektrische Stromspeicher zu kompensieren. Im Detail verfügt mit 43 Prozent des Gesamtgewichts die Fahrzeugkarosserie über das höchste Gewichtseinsparpotential neben dem Antriebsstrang. Leichtbaustrategien, wie etwa die Mischbauweise, werden gezielt eingesetzt, um das höchste Potential zu erzielen.

Mischbaukonzepte

Neu sind aktuelle Fügetechnologien, mithilfe derer sich Mischbaukonzepte mit minimalen Produktionskosten und gleichzeitig optimaler und belastungsorientierter Werkstoffausnutzung realisieren lassen. Durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen mit geringer spezifischer Dichte, wie beispielsweise Aluminium, in Verbindung mit höchstfesten, formgehärteten und crashstabilen Vergütungsstählen ist der Mischbau möglich. Ein technisches Anwendungsbeispiel ist das Modell des Audi Q 7. Hier ist die fertigungstechnische Anbindung formgehärteter Stähle im A- und B-Säulenbereich mit Außenhautbeplankungen sowie Dachquerträgern aus Aluminiumlegierungen realisiert. Das Hybridfügeverfahren des Widerstandselementschweißens (WES) ist Vertreter der prozesssicheren und großserientechnisch eingesetzten Fertigungsverfahren zum Fügen von Aluminium mit formgehärteten Stählen. Der Prozess des Verfahrens erfolgt unter Einbezug eines Schweißelements aus Stahl nach aktuellem Stand der Technik in mehreren Stufen. Im vorgelagerten Prozessschritt wird ein Schweißelement mechanisch in das Aluminiumblech gestanzt, um dieses in einem zweiten Prozessschritt der Widerstandspunktschweißtechnik mit dem darunter liegenden Stahlblech zu verschweißen.

Vorteile des Verfahrens

Thermische Fügeverfahren für Aluminium und Stahl eignen sich aufgrund der thermischen und metallurgischen Unverträglichkeit zwischen Stahl und Aluminium nur begrenzt. Auch mechanische Fügeverfahren eignen sich aufgrund der hohen Festigkeit sowie der niedrigen Bruchdehnung von formgehärteten Stählen ebenfalls nur begrenzt. Insofern stellt das WES als Verfahren tatsächlich einen Vorteil dar.

Nachteile

Da eine zusätzliche Zusammenbaustation installiert werden muss, ergeben sich daraus neben hohen Fügesystemkosten auch hohe Fertigungszeiten und Bauteiltoleranzen. Um diese Nachteile zu kompensieren, wird der WES-Prozess zu einem einstufigen Fügeprozess weiterentwickelt. Das Schweißelement wird mittels Widerstandserwärmung in das Leichtmetall warmeingeprägt. Dadurch muss das Schweißelement nicht mehr mechanisch eingestanzt werden. Auch auf die Installation der vorgelagerten Zusammenbaustation kann verzichtet werden. Die Reduktion in ein einstufiges Verfahren bringt ökonomisch und bezogen auf den Anlagenbau wichtige Vorteile. Diese umfassen kürzere Fertigungszeiten, kleinere Fertigungsflächen und weniger Betriebsmittel- bzw. Energiekosten sowie das Potential, die Fertigungs- und Zusammenbautoleranzen weiter zu minimieren. Die vorliegende Arbeit qualifiziert das einstufige WES für den Einsatz im Karosseriebau vollständig. Ein Beispiel für den Großeinsatz des WES ist der Einsatz unter Großserienbedingungen am Beispiel des Passat B8. Die Kopplung nietbasierter mechanischer Fügeverfahren verspricht eine hohe Fügeeignung von Aluminiumlegierungen mit Stahlbauteilen. Dadurch kommt es zu hohen Einsatzpotentialen des genannten Verfahrens. Vorteil des geometrischen Verfahrens ist zum Beispiel, dass mithilfe der Senkkopfgeometrie die schweißprozessspezifische Konzepttauglichkeit nachgewiesen wird. Weiterführende schweißspezifische Untersuchungen zur WES-Flachkopfvariante präzisieren die Bedingungen zur Verbindungsbildung an einfach überlappten Probenblechen. Die Festigkeit bei zyklischer Belastung gehen in WES-Verbindungen im Vergleich zum RES mit annähernd gleichen Neigungsexponenten der Zeitfestigkeitsgeraden sowie ähnlich ertragbaren Lastamplituden einher.

Elementgeometrie und statistische Versuchsplanung

Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung, auch „Design of Experiments“ (DoE) genannt, erfolgt die systematische Untersuchung der geometrischen Einflussvariablen (Eingangsgrößen) auf prozessspezifische Ergebnisgrößen. Die DoE wird im Rahmen dieser Arbeit gezielt für die Optimierung einer optimalen Elementgeometrie genutzt. Linsendurchmesser und Prozessstabilität zweistufig geschweißter WES-Proben sollen beim einstufigen WES vollständig erreicht oder verbessert werden. Dabei geht es um Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Geometrievarianten und deren Haupteffekte auf die jeweiligen Ergebnisgrößen. Entscheidend zu deren Berechnung sind die Parameter Plateaudurchmesser, Schaftlänge, Schaftdurchmesser, Fasenhöhe sowie Schweißparameter. Für die DoE wird ein vollfaktorieller Wirkungsflächenversuchsplan mit vier Faktoren und je zwei Stufen verwendet. Dieser Versuchsplan wird mit der Statistiksoftware MiniTab17® erstellt. Es entsteht ein vierdimensionaler Versuchsraum mit den genannten vier Faktoren, welcher sich an den Eckpunkten aus den Maximal- und Minimalwerten derselben zusammensetzt. Versuchsplan und entsprechende Versuchsgrößen werden in Kapitel 6 ausführlich dargestellt, entsprechende Einflussgrößen wie die Warmeinprägewirkung anschließend in Kapitel 7. Als Hinweise zur Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung von einstufigen WES-Verbindungen (siehe Kapitel 10) gilt zu sagen, dass das einstufige WES nun im Allgemeinen zum Fügen von Aluminium mit formgehärteten Stahlbauteilen eingesetzt wird und in erster Linie als Fixierverfahren bis zur Klebstoffaushärtung dient. Ein Einsatz ohne Klebstoff lässt sich ebenfalls realisieren. Eine Einsatzmöglichkeit bietet beispielsweise das Stepnaht-Kleben. Mit dem einstufigen WES können sowohl Zweiblech-, als auch Dreiblechverbindungen gefügt werden. Die Prozessphasen sind von Positionieren, Warmeinprägen, Ausschweißen und Abkühlen geprägt.

Ergebnisse

Unter anderem der Vergleich von Tragfähigkeitsuntersuchungen unter quasistatischer und zyklischer Scherzugbelastung von einstufig und zweistufig geschweißten WES-Verbindungen belegt das Festigkeitspotential des neuen Fügeverfahrens. Unter quasistatischer Scherzugbelastung erreichen die einstufigen WES-Verbindungen die gleichen Maximalkräfte wie die zweistufig geschweißten Proben. Unter schwingender Belastung fallen die Bruchkräfte aufgrund der reduzierten Klebfläche durch den verdrängten Aluminiumwerkstoff etwas geringer aus.

Abschließend wird, wie oben bereits angedeutet, die Konzepttauglichkeit an einem seriennahen Bauteil erfolgreich nachgewiesen und die Erkenntnisse, die im Laufe dieser Arbeit nachgewiesen werden, in Form von Hinweisen für die Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung zusammengefasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das einstufige Widerstandselementschweißen entwickelt und die Konzepttauglichkeit dieses innovativen Fügeverfahrens für den Einsatz im Karosseriebau in Aluminium-Stahl-Mischbauweise nachgewiesen.

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