SB_18.159BLP

2016
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einfluss von Reparaturbedingungen
auf mechanischtechnologische
Eigenschaften
von Widerstandspunktschweißverbindungen

Einfluss von
Reparaturbedingungen auf
mechanisch-technologische
Eigenschaften von
Widerstandspunktschweißverbindungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.159 B
DVS-Nr.: 04.061
Hochschule Anhalt Fachbereich EMW -
Spanlose Fertigung
Schweißtechnische Lehr- und
Versuchsanstalt Halle GmbH
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.159 B / DVS-Nr.: 04.061 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
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 338
Bestell-Nr.: 170447
ISBN: 978-3-96870-337-4
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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Forschungsbericht
Reparaturbedingungen Seite 3 von 148
Inhalt
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 1
Inhalt .......................................................................................................................................... 3
Verzeichnis der Bilder ................................................................................................................ 5
Verzeichnis der Tabellen .......................................................................................................... 12
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ..................................... 13
2 Stand der Technik ............................................................................................................. 14
2.1 Widerstandsschweißen .............................................................................................. 14
2.2 Einfluss der mechanischen Maschineneigenschaften ................................................. 16
2.3 Serienschweißbedingungen ....................................................................................... 19
2.4 Reparaturschweißbedingungen .................................................................................. 21
2.5 Fazit der Auswertung des Standes der Technik – Anlass für den Forschungsantrag . 22
3 Forschungsziel, angestrebte Ergebnisse und deren innovativer Beitrag ............................ 23
3.1 Forschungsziel ........................................................................................................... 23
3.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse .................................................................... 23
3.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .............................. 24
4 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ............................................................. 25
4.1 Material und Methoden ............................................................................................... 25
4.1.1 Verwendete Werkstoffe ....................................................................................... 25
4.1.2 Verwendete Schweißtechnik ............................................................................... 27
4.1.3 System zur optischen Zangenvermessung .......................................................... 27
4.1.4 Verwendete Vorrichtungen für die Schweißungen ............................................... 29
4.1.5 Schweißbereichsdiagramme, statistische Absicherung ....................................... 38
4.1.6 Festigkeitsuntersuchungen ................................................................................. 40
4.2 Durchführung der Schweißungen ............................................................................... 41
4.2.1 Schweißungen mit Roboter ................................................................................. 41
4.2.2 Schweißungen im Automatikmodus der Reparaturschweißzangen ..................... 42

Forschungsbericht
Reparaturbedingungen Seite 4 von 148
5 Ergebnisse ........................................................................................................................ 43
5.1 Ergebnisse der optischen Vermessung der Schweißzangen ...................................... 43
5.2 Roboterschweißungen ............................................................................................... 48
5.2.1 MDK1 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 0,7 mm DC04+ZE50/50 ................................. 48
5.2.2 MDK2 - 1,0 mm 22MnB5+AS120 / 1,5 mm 22MnB5+AS100 ............................... 52
5.2.3 MDK3 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 2,0 mm HCT780CD+Z100 .............................. 55
5.2.4 MDK4 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 1,5 mm 22MnB5+AS100 / 0,9 mm
HCT780CD+Z100 ............................................................................................................. 58
5.2.5 Zusammenfassung der Schweißbereiche ............................................................ 64
5.3 Schweißungen mit parametrisierter Reparaturschweißzange ..................................... 65
5.4 Schweißungen mit Reparaturschweißzange im „Automatikmodus“ ............................ 68
5.4.1 Ergebnisse der Reparaturzange T im Automatikmodus ....................................... 69
5.4.2 Ergebnisse der Reparaturzange W im Automatikmodus ..................................... 73
5.4.3 Ergebnisse der Reparaturzange E im Automatikmodus ...................................... 77
5.4.4 Fazit der Schweißungen im Automatikmodus ...................................................... 81
5.5 Untersuchung des Härteverlaufs ................................................................................ 83
5.6 Untersuchungen zur Verschiebung der Elektrode an der Armatur .............................. 87
5.7 Untersuchungen zur Verbindungscharakterisierung ................................................. 105
5.8 Untersuchungen der zyklischen Festigkeit zu Reparaturschweißungen mit
Probenschrägstellung ......................................................................................................... 113
5.9 Untersuchungen zu Randschweißungen .................................................................. 116
6 Ergebnisse spezieller Untersuchungen ........................................................................... 119
6.1 Einfluss von simulierten Spalten ............................................................................... 119
6.2 Ergebnisse der Nutzung alternativer Elektrodengeometrien ..................................... 123
6.3 Schweißen von Reparaturverbindungen ................................................................... 126
6.4 Reparatur eines Außenhautblechs an einer Kleinwagen-B-Säule ............................ 132
6.4.1 Abgleich der Schweißparameter und Schaffen des Ausgangszustands ............ 132
6.4.2 Vorbereiten und Durchführen der Reparatur ..................................................... 135
6.4.3 Prüfen der Demonstratoren ............................................................................... 137
7 Ausblick ........................................................................................................................... 140
8 Schrifttum ........................................................................................................................ 145

Forschungsbericht
Reparaturbedingungen Seite 13 von 148
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Die Fahrzeugkarosserie ist die größte und teuerste Fahrzeugkomponente und sie besitzt mit ca.
30 % den größten Anteil an der Fahrzeugmasse. Deshalb setzen auch hier die meisten Aktivitäten
zur Gewichtsreduktion an. Ein Weg ist dabei die Verwendung von hoch- und höchstfesten
Stählen sowie unterschiedlichen Halbzeugen. Dadurch kann die Blechdicke reduziert werden.
Dies wurde beispielsweise durch internationale Forschungskonzepte aufgezeigt und wird zunehmend
bei den OEM´s im Karosseriebau Standard [1, 2, 3, 4, 5]. Durch die Verwendung von
hochfesten und gehärteten Stählen wird die Karosserie zu einem sensiblen „High-Tech“-
Produkt. Hierdurch wird sie immer teurer, der Lebenszyklus verlängert sich und eine erforderliche
Reparatur wird aus wirtschaftlicher Sicht immer notwendiger.
Alle Bereiche und Prozesse im Produktentstehungsprozess, wie die Konstruktion, die Fertigung
und die Produktion oder die verwendeten Werkstoffe, sind genau aufeinander abgestimmt. Wird
ein Prozess verändert, könnte das massive Einflüsse auf die Karosserie haben und es kann zu
veränderten Eigenschaften dieser kommen. Die angepassten Karosserieeigenschaften entsprechen
nicht mehr dem, was der OEM definiert hat.
Kommt es zu einem Unfall, kann aufgrund der Größe, des Umfangs und der Kosten die Karosserie
nicht so leicht ausgetauscht werden wie andere Fahrzeugkomponenten. Meist kann die
Karosserie repariert werden. Übersteigen die Reparaturkosten den Fahrzeugwert, tritt ein wirtschaftlicher
Totalschaden ein. Eine Reparatur wäre wirtschaftlich nicht sinnvoll. Soll jedoch eine
Karosserie repariert werden, müssen Kenntnisse über den Ablauf der Reparatur vorliegen. Diese
Kenntnisse müssen erarbeitet, überprüft und bereitgestellt werden. In jedem Reparaturfall
kommt es zu den oben beschriebenen Veränderungen, da andere Fertigungsmittel verwendet
werden, oder veränderte Abläufe, wie die Zusammenbaufolge, stattfinden. In der Automobilfertigung
wird, um die Massentauglichkeit wirtschaftlich zu gewährleisten, für Stahlkarosserien
bevorzugt das Widerstandspunktschweißen eingesetzt. Die Schweißzange im Reparaturfall hat
andere Eigenschaften, als die Schweißzange, die in der Produktion genutzt wird. Sowohl die
Zusammenbaufolge wie auch das Schweißequipment haben Auswirkungen auf den Schweißprozess,
auf die Schweißlinsenbildung und letztlich auf die Festigkeit der Punktschweißverbindung.
Diese muss aber nach wie vor den Vorgaben entsprechen. Kann dies sichergestellt werden,
ist der wirtschaftliche Erfolg gewährleistet.
Die Fragestellung nach dem Einfluss der Reparaturbedingungen auf die Festigkeit von Punktschweißverbindungen
wurde von den Forschungsstellen und den betroffenen Industrieunternehmen
gleichermaßen erkannt und soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens beantwortet
werden.

Forschungsbericht
Reparaturbedingungen Seite 14 von 148
2 Stand der Technik
2.1 Widerstandsschweißen
Bei der stahlintensiven Karosserieschalenbauweise ist das Widerstandspunktschweißen nach
wie vor eines der wichtigsten Schweißverfahren. Die Vorteile sind die einfache Ausführung, die
gute Automatisierbarkeit, günstig, flexibel und ein geringer Wärmeeintrag. Das Besondere ist
aber, dass die Schweißzange ein latentes Spannwerkzeug ist, die Bleche und somit die Kontaktstellen
in Position bringt und hält. Meist pressen zwei Elektroden zwei Bleche zusammen. Ist
der Kontakt hergestellt, fließt Strom über die Elektroden durch die Bleche und eine Erwärmung
findet statt. Die Erwärmung kann nach dem Jouleschen Gesetz beschrieben werden:
2
Q I ( t)
R ( t)
dt
S
ges
S
Formel 1:
Joulesches Gesetz
Hierbei ist I S der Schweißstrom, R ges der Gesamtwiderstand und t S die Stromzeit.
Der Gesamtwiderstand setzt sich aus den Stoff- und Kontaktwiderständen zusammen:
Abbildung 1:
Schematische Darstellung der Stoff- und Kontaktwiderstände einer Widerstandspunktschweißung
Alle Widerstände tragen somit zur Erwärmung bei, jedoch zeigt sich ein typisches dynamisches
Verhalten der Widerstände über die Schweißzeit (Abbildung 2). Die zu Beginn noch
dominierenden Kontaktwiderstände brechen schnell zusammen und die Stoffwiderstände
sorgen für eine fortschreitende Erwämung der Fügestelle:

Forschungsbericht
Reparaturbedingungen Seite 15 von 148
Abbildung 2: Schematische Darstellung des dynamischen Verhaltens der Stoff- und Kontaktwiderstände
Der Schweißstrom I S ist bei modernen Widerstandsschweißmaschinen geregelt (Konstantstromregelung,
adaptive Regelung) und wird über eine bestimmte Zeit t S über die Kupferbasiselektroden,
meist aus CuCrZr, in die Schweißstelle konzentriert eingebracht. Auf die Elektroden wirkt
eine Elektrodenkraft F E , welche die Bleche zusammendrückt. Somit wird die Schweißnaht, bedingt
durch die rotationssymmetrischen Elektroden, als Schweißlinse erzeugt. Es wirkt stets die
Elektrodenkraft [6, 7]. Diese soll konstant sein oder festgelegten Werten folgen.
Die Elektrodenkraft hat großen Einfluss auf die Übergangswiderstände. Sie ebnet die Kontaktstellen
und stellt den Stromfluss über die Kontaktstellen sicher. Dies ist notwendig, da bedingt
durch die Oberflächenrauigkeit und das Beulverhalten der Bleche der Strom nur über bestimmte
Bereiche, den sogenannten a-Spots, fließt. Mit zunehmender Elektrodenkraft werden die Bereiche
plastisch verformt und die a-Spots werden größer. Hierdurch wird der Strompfad sichergestellt,
aber der Widerstand verringert (Abbildung 3).
Problematisch werden die Widerstandsverhältnisse bei Relativbewegungen zwischen den Kontaktpartnern,
da hierdurch einerseits der Übergangswiderstand stark ansteigt und andererseits
es zum Stromfluss über bewegte Kontaktstellen kommt. Ein enormer Anstieg der Wärmeentwicklung
ist die Folge. Es entstehen Spritzer sowie eine deutlich veränderte Schweißpunktgeometrie.