SB_17.528NLP

2015
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einfluss von fertigungsbedingten
Spalten auf das
Tragverhalten von Widerstandspunktschweißverbindungen
aus hochfesten
Stählen

Einfluss von
fertigungsbedingten Spalten auf
das Tragverhalten von
Widerstandspunktschweißverbindungen
aus hochfesten
Stählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.528 N
DVS-Nr.: 04.055
Bundesanstalt für Materialforschung und -
prüfung (BAM) FB 9.3
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.528 N / DVS-Nr.: 04.055 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 280
Bestell-Nr.: 170389
ISBN: 978-3-96870-279-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis zum Abschlussbericht zum Projekt
IGF-17.528 / DVS-Nr. 04.055
Danksagung
1 Einleitung
2 Bedeutung des Vorhabens
2.1 Wissenschaftliche Bedeutung
2.2 Wirtschaftliche Bedeutung
3 Ablauf des Forschungsprojektes
3.1 Forschungsziel
3.2 Lösungsweg
3.3 Versuchsaufbau
3.3.1 Schweißzange
3.3.2 Versuchswerkstoffe
3.3.3 Mechanisch-technologische Untersuchung der hergestellten
Widerstandspunktschweißverbindungen
3.3.3.1 Quasi statische Prüfungen
3.3.3.2 Instrumentierte Eindringprüfung
3.3.3.3 Schwingfestigkeitsprüfung
3.3.3.4 Hochgeschwindigkeitszugversuche
3.3.3.5 Härteprüfungen
3.3.4 Numerische Versuchsdurchführung
4 Prozesstechnische Untersuchungen
4.1 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei ein- und beidseitiger
Einspannung
4.1.1 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei einseitiger Einspannung
4.1.2 Spaltmaßeinfluss auf die Prozesssicherheit bei beidseitiger Einspannung
4.2 Prozesssicherheitskoeffizient bei ein- und beidseitiger Einspannung
4.3 Einfluss der Einspannart auf die Schweißbereiche mit unterschiedlichem
Spaltmaß
4.4 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze
4.4.1 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei einseitiger Einspannung

4.4.2 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei beidseitiger Einspannung
4.5 Spaltmaßeinfluss auf die Spritzergrenze bei ein- und beidseitiger Einspannung
4.6 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der
Spritzergrenze
4.6.1 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der
Spritzergrenze bei einseitiger Einspannung
4.6.2 Spaltmaßeinfluss auf das Schweißstrom-Punktdurchmesser-Verhältnis an der
Spritzergrenze bei beidseitiger Einspannung
4.7 Spaltmaßeinfluss auf den Schweißbereich bei U-Profilen
4.8 Spaltmaßeinfluss auf den Elektrodenkraftverlauf
4.8.1 Elektrodenkraftverlauf bei einseitiger Einspannung
4.8.2 Elektrodenkraftverlauf bei beidseitiger Einspannung
4.8.3 Elektrodenkraftverlauf bei ein- und beidseitiger Einspannung
5 Festigkeitsuntersuchungen
5.1 Quasi-statische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten
Werkstoffe
5.2 Zyklische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten Werkstoffe
5.3 Dynamische Belastung der Punktschweißverbindungen der untersuchten
Werkstoffe
6 Bestimmung der lokalen Dehnung sowie Berechnung des
Spaltmaßeinflusses auf die Spannungsverhältnisse
6.1 Aramis-Messungen
6.2 Instrumentierte Härteeindringprüfung
6.3 Numerische Simulation
7 Charakterisierung des Spaltmaßeinflusses durch Prozesskenngrößen
7.1 Prozesssicherheitskoeffizient bei ein- und beidseitiger Einspannung
7.2 Prozess-Festigkeits-Kenngröße bei ein- und beidseitiger Einspannung
8 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis

1 Einleitung
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, die Treibhausgasemission bis 2020 um mindestens
20 % (gegenüber dem Stand von 1990) zu reduzieren. Mit einem Anteil von 26 % trägt der
Gesamtverkehr erheblich zu den CO2-Gesamtemissionen in der EU bei. Der Pkw-Verkehr ist dabei
mit 12 % für in etwa die Hälfte der Emission verantwortlich. In den kommenden Jahren sollen die
Emissionsgrenzwerte weiter gesenkt werden, was bei stetig steigenden Anforderungen an die
Fahrzeuge die Forderung nach zusätzlicher Gewichtsreduktion der Rohkarosserie verschärft. Die
Umsetzung von Leichtbaukonzepten im Rohkarosseriebereich erfolgt anforderungsabhängig bei
den verschiedenen Pkw-Herstellern unterschiedlich. So bilden neben Aluminiumlegierungen,
Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen neu entwickelte hochfeste Stahlfeinbleche die
werkstofftechnische Grundlage.
Die in den letzten Jahren ständig gestiegenen Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit,
Komfort und Fahrleistungen konnten durch Steifigkeitserhöhung der Karosserie, Verbesserung des
Fahrwerks und höhere Motorleistungen realisiert werden. Diese Maßnahmen waren allerdings
stets mit einer Zunahme der Fahrzeuggewichte verbunden. So haben sich
fahrzeugklassenübergreifend innerhalb der letzten drei Jahrzehnte die Fahrzeuggewichte im Mittel
um etwa 600 kg erhöht. Diese Steigerungen des Gesamtgewichts eines Fahrzeugs lassen sich
durch den Einsatz von Leichtbaukomponenten im Bereich des Rohkarosseriebaus teilweise
kompensieren. Die durch Rohkarosserie-Leichtbaumaßnahmen erreichte Verringerung der
gestiegenen Fahrzeuggewichte bewirkt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der
Kohlendioxidemissionen. Dabei verstärkt sich der Trend zur Multi-Material-Bauweise.
Dementsprechend werden immer häufiger unterschiedliche Fügetechnologien nebeneinander beim
Bau einer Rohkarosserie angewandt. Neben den üblichen Schweiß- und Lötverfahren werden
dabei auch mechanische Füge- und Klebverfahren eingesetzt. Überdies wendet man,
insbesondere zur Steifigkeitserhöhung von Karosserieteilen, auch hybride Verfahren,
beispielsweise das Widerstandspunktschweißkleben an. Für die neu entstandenen hochfesten
Stahlwerkstoffkonzepte stellen das Widerstandspunktschweißen und -kleben wirtschaftliche und
prozesssichere Fügeverfahren dar und dominieren die stahlblechorientierten Werkstoffsegmente
im Rohkarosseriebau. Die im Karosseriebau eingesetzten Karosseriestähle bestehen aus
mehreren Festigkeitsklassen. Neben normalfesten („weichen“) Tiefziehgüten und mikrolegierten
Feinkornstählen bilden die hochfesten Mehrphasenstähle (Dualphasen- und
Komplexphasenstähle, TRIP Stähle u. a.) aber auch pressgehärtete Mangan-Bor-Stähle, wie der
22MnB5 + AS140, die werkstofftechnische Basis einer Rohkarosserie. Dabei werden die
modernen Mehrphasenstähle häufig unter der gemeinsamen Bezeichnung „Advanced high
strength steels“ (AHSS) zusammengefasst.
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In Lieferbedingungen für Stahlfeinblechwerkstoffe mit höherer Festigkeit ist in der Norm
DIN EN 10346 ein größer werdendes Toleranzfenster für die zulässige Streuung mit steigender
Zugfestigkeit vorgesehen. So bewegt sich die Streuung bei den normalfesten Stählen in der
Größenordnung von 20 MPa (z. B. DX54D), während bei den hochfesten AHSS Streuungen von
100 MPa (z. B. HCT780T) auftreten können. Diese werkstoffbedingte Streuung führt im
Umformprozess zu Schwankungen. Darüber hinaus treten bei der Formgebung durch Streuungen
innerhalb der Werkstoffkennwerte bedingte Schwankungen bei der Rückfederung der Bauteile auf.
Überdies verstärken Blechdickenschwankungen diesen Effekt. In der industriellen Fertigung von
Karosseriebauteilen treten deshalb häufig geometrische Abweichungen auf, die dazu führen, dass
Bauteile in ihrer Form und Lage von dem konstruktiv vorgegebenen Idealzustand abweichen
[1]. Die Form- und Lageabweichungen der zu fügenden Blechteile können in vielen Fällen durch
Spanntechnik nicht ausgeglichen werden. Vorrangig äußern sich diese Abweichungen in Form von
örtlich veränderlichen Spalten zwischen den Bauteilen. Daher ist der Einfluss der
fertigungsbedingten Spalte auf die Prozesssicherheit und mechanisch-technologischen
Eigenschaft der hergestellten Punktschweißverbindungen von großem Interesse.
Abbildung 1.1: Spalte in der Karosseriefertigung
In Abbildung 1.1 sind Beispiele aus dem Rohkarosseriebau zur Verdeutlichung dieses
Sachverhalts dargestellt.
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2 Bedeutung des Vorhabens
2.1 Wissenschaftliche Bedeutung
Um den Einfluss fertigungsbedingter Spalte auf die Qualität von
Widerstandspunktschweißverbindungen gering zu halten, wird dieser bei der Entwicklung
von Qualitätsregelungssystemen für den Widerstandspunktschweißprozess als eine
mögliche Prozessstörgröße berücksichtigt und ist Gegenstand der Forschung. So zeigen
Untersuchungen von Saito /2/, Keitel u. a. /3/ und Hou /4/, dass bei einem ungeregelten
Widerstandspunktschweißprozess Spalte einer bestimmten Größe zwischen den Fügeteilen
bei identischen Schweißparametern (Fe = const., ts = const.) zu einer Erhöhung der
Spritzerhäufigkeit und Reduzierung des Punktdurchmessers dp führen. Die Ursache für
dieses Verhalten ist die vom Spaltmaß abhängige veränderte elektrische Kontaktsituation im
Bereich der Fügestelle /5//6/. In Abbildung 2.1 ist schematisch die elektrische
Kontaktsituation vereinfacht für eine Wechselstromquelle dargestellt.
Abbildung 2.1: Schema Kontaktsituation ohne (links) und mit (rechts) Spalt an der Fügestelle
Abhängig von der Art des fertigungsbedingten Spaltes (einseitig oder beidseitig) und des
Spaltabstandes treten bei konstant gehaltenen Schweißparametern (Elektrodenkraft
Fe=const., Schweißzeit t s =const.) für einen bestimmten vorgegebenen Elektrodenkappentyp
unterschiedliche elektrische Kontaktsituationen an der Fügestelle auf. Die dadurch bedingten
unterschiedlichen Stromdichten bzw. Übergangswiderstände zwischen den zu fügenden
Stahlblechen und an den Elektroden-Blechübergängen führen zu spaltmaßabhängigen
elektrischen Strömungsfeldern, die ein unterschiedliches Aufschmelzen des
Grundwerkstoffes bewirken, was im Ergebnis zu einer geometrischen Veränderung der
Schweißlinse führt. Die damit verbundene Verkleinerung des Schweißlinsenvolumens
drückt sich werkstoffabhängig vorwiegend in einer Reduzierung der Schweißlinsenhöhe
aus. Der Einfluss auf den Schweißlinsendurchmesser und somit auch auf den
Punktdurchmesser ist dabei innerhalb bestimmter Grenzen weniger vorhanden, Preß u. a
/7/. Durch die spaltmaßabhängige werkstoffspezifische Schweißlinsenvolumenverringerung
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