SB_18.159BLP
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2016<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Einfluss von Reparaturbedingungen<br />
auf mechanischtechnologische<br />
Eigenschaften<br />
von Widerstandspunktschweißverbindungen
Einfluss von<br />
Reparaturbedingungen auf<br />
mechanisch-technologische<br />
Eigenschaften von<br />
Widerstandspunktschweißverbindungen<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 18.159 B<br />
DVS-Nr.: 04.061<br />
Hochschule Anhalt Fachbereich EMW -<br />
Spanlose Fertigung<br />
Schweißtechnische Lehr- und<br />
Versuchsanstalt Halle GmbH<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.159 B / DVS-Nr.: 04.061 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im<br />
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 338<br />
Bestell-Nr.: 170447<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-337-4<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Forschungsbericht<br />
Reparaturbedingungen Seite 3 von 148<br />
Inhalt<br />
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 1<br />
Inhalt .......................................................................................................................................... 3<br />
Verzeichnis der Bilder ................................................................................................................ 5<br />
Verzeichnis der Tabellen .......................................................................................................... 12<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ..................................... 13<br />
2 Stand der Technik ............................................................................................................. 14<br />
2.1 Widerstandsschweißen .............................................................................................. 14<br />
2.2 Einfluss der mechanischen Maschineneigenschaften ................................................. 16<br />
2.3 Serienschweißbedingungen ....................................................................................... 19<br />
2.4 Reparaturschweißbedingungen .................................................................................. 21<br />
2.5 Fazit der Auswertung des Standes der Technik – Anlass für den Forschungsantrag . 22<br />
3 Forschungsziel, angestrebte Ergebnisse und deren innovativer Beitrag ............................ 23<br />
3.1 Forschungsziel ........................................................................................................... 23<br />
3.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse .................................................................... 23<br />
3.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .............................. 24<br />
4 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ............................................................. 25<br />
4.1 Material und Methoden ............................................................................................... 25<br />
4.1.1 Verwendete Werkstoffe ....................................................................................... 25<br />
4.1.2 Verwendete Schweißtechnik ............................................................................... 27<br />
4.1.3 System zur optischen Zangenvermessung .......................................................... 27<br />
4.1.4 Verwendete Vorrichtungen für die Schweißungen ............................................... 29<br />
4.1.5 Schweißbereichsdiagramme, statistische Absicherung ....................................... 38<br />
4.1.6 Festigkeitsuntersuchungen ................................................................................. 40<br />
4.2 Durchführung der Schweißungen ............................................................................... 41<br />
4.2.1 Schweißungen mit Roboter ................................................................................. 41<br />
4.2.2 Schweißungen im Automatikmodus der Reparaturschweißzangen ..................... 42
Forschungsbericht<br />
Reparaturbedingungen Seite 4 von 148<br />
5 Ergebnisse ........................................................................................................................ 43<br />
5.1 Ergebnisse der optischen Vermessung der Schweißzangen ...................................... 43<br />
5.2 Roboterschweißungen ............................................................................................... 48<br />
5.2.1 MDK1 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 0,7 mm DC04+ZE50/50 ................................. 48<br />
5.2.2 MDK2 - 1,0 mm 22MnB5+AS120 / 1,5 mm 22MnB5+AS100 ............................... 52<br />
5.2.3 MDK3 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 2,0 mm HCT780CD+Z100 .............................. 55<br />
5.2.4 MDK4 - 0,7 mm DC04+ZE50/50 / 1,5 mm 22MnB5+AS100 / 0,9 mm<br />
HCT780CD+Z100 ............................................................................................................. 58<br />
5.2.5 Zusammenfassung der Schweißbereiche ............................................................ 64<br />
5.3 Schweißungen mit parametrisierter Reparaturschweißzange ..................................... 65<br />
5.4 Schweißungen mit Reparaturschweißzange im „Automatikmodus“ ............................ 68<br />
5.4.1 Ergebnisse der Reparaturzange T im Automatikmodus ....................................... 69<br />
5.4.2 Ergebnisse der Reparaturzange W im Automatikmodus ..................................... 73<br />
5.4.3 Ergebnisse der Reparaturzange E im Automatikmodus ...................................... 77<br />
5.4.4 Fazit der Schweißungen im Automatikmodus ...................................................... 81<br />
5.5 Untersuchung des Härteverlaufs ................................................................................ 83<br />
5.6 Untersuchungen zur Verschiebung der Elektrode an der Armatur .............................. 87<br />
5.7 Untersuchungen zur Verbindungscharakterisierung ................................................. 105<br />
5.8 Untersuchungen der zyklischen Festigkeit zu Reparaturschweißungen mit<br />
Probenschrägstellung ......................................................................................................... 113<br />
5.9 Untersuchungen zu Randschweißungen .................................................................. 116<br />
6 Ergebnisse spezieller Untersuchungen ........................................................................... 119<br />
6.1 Einfluss von simulierten Spalten ............................................................................... 119<br />
6.2 Ergebnisse der Nutzung alternativer Elektrodengeometrien ..................................... 123<br />
6.3 Schweißen von Reparaturverbindungen ................................................................... 126<br />
6.4 Reparatur eines Außenhautblechs an einer Kleinwagen-B-Säule ............................ 132<br />
6.4.1 Abgleich der Schweißparameter und Schaffen des Ausgangszustands ............ 132<br />
6.4.2 Vorbereiten und Durchführen der Reparatur ..................................................... 135<br />
6.4.3 Prüfen der Demonstratoren ............................................................................... 137<br />
7 Ausblick ........................................................................................................................... 140<br />
8 Schrifttum ........................................................................................................................ 145
Forschungsbericht<br />
Reparaturbedingungen Seite 13 von 148<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung<br />
Die Fahrzeugkarosserie ist die größte und teuerste Fahrzeugkomponente und sie besitzt mit ca.<br />
30 % den größten Anteil an der Fahrzeugmasse. Deshalb setzen auch hier die meisten Aktivitäten<br />
zur Gewichtsreduktion an. Ein Weg ist dabei die Verwendung von hoch- und höchstfesten<br />
Stählen sowie unterschiedlichen Halbzeugen. Dadurch kann die Blechdicke reduziert werden.<br />
Dies wurde beispielsweise durch internationale Forschungskonzepte aufgezeigt und wird zunehmend<br />
bei den OEM´s im Karosseriebau Standard [1, 2, 3, 4, 5]. Durch die Verwendung von<br />
hochfesten und gehärteten Stählen wird die Karosserie zu einem sensiblen „High-Tech“-<br />
Produkt. Hierdurch wird sie immer teurer, der Lebenszyklus verlängert sich und eine erforderliche<br />
Reparatur wird aus wirtschaftlicher Sicht immer notwendiger.<br />
Alle Bereiche und Prozesse im Produktentstehungsprozess, wie die Konstruktion, die Fertigung<br />
und die Produktion oder die verwendeten Werkstoffe, sind genau aufeinander abgestimmt. Wird<br />
ein Prozess verändert, könnte das massive Einflüsse auf die Karosserie haben und es kann zu<br />
veränderten Eigenschaften dieser kommen. Die angepassten Karosserieeigenschaften entsprechen<br />
nicht mehr dem, was der OEM definiert hat.<br />
Kommt es zu einem Unfall, kann aufgrund der Größe, des Umfangs und der Kosten die Karosserie<br />
nicht so leicht ausgetauscht werden wie andere Fahrzeugkomponenten. Meist kann die<br />
Karosserie repariert werden. Übersteigen die Reparaturkosten den Fahrzeugwert, tritt ein wirtschaftlicher<br />
Totalschaden ein. Eine Reparatur wäre wirtschaftlich nicht sinnvoll. Soll jedoch eine<br />
Karosserie repariert werden, müssen Kenntnisse über den Ablauf der Reparatur vorliegen. Diese<br />
Kenntnisse müssen erarbeitet, überprüft und bereitgestellt werden. In jedem Reparaturfall<br />
kommt es zu den oben beschriebenen Veränderungen, da andere Fertigungsmittel verwendet<br />
werden, oder veränderte Abläufe, wie die Zusammenbaufolge, stattfinden. In der Automobilfertigung<br />
wird, um die Massentauglichkeit wirtschaftlich zu gewährleisten, für Stahlkarosserien<br />
bevorzugt das Widerstandspunktschweißen eingesetzt. Die Schweißzange im Reparaturfall hat<br />
andere Eigenschaften, als die Schweißzange, die in der Produktion genutzt wird. Sowohl die<br />
Zusammenbaufolge wie auch das Schweißequipment haben Auswirkungen auf den Schweißprozess,<br />
auf die Schweißlinsenbildung und letztlich auf die Festigkeit der Punktschweißverbindung.<br />
Diese muss aber nach wie vor den Vorgaben entsprechen. Kann dies sichergestellt werden,<br />
ist der wirtschaftliche Erfolg gewährleistet.<br />
Die Fragestellung nach dem Einfluss der Reparaturbedingungen auf die Festigkeit von Punktschweißverbindungen<br />
wurde von den Forschungsstellen und den betroffenen Industrieunternehmen<br />
gleichermaßen erkannt und soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens beantwortet<br />
werden.
Forschungsbericht<br />
Reparaturbedingungen Seite 14 von 148<br />
2 Stand der Technik<br />
2.1 Widerstandsschweißen<br />
Bei der stahlintensiven Karosserieschalenbauweise ist das Widerstandspunktschweißen nach<br />
wie vor eines der wichtigsten Schweißverfahren. Die Vorteile sind die einfache Ausführung, die<br />
gute Automatisierbarkeit, günstig, flexibel und ein geringer Wärmeeintrag. Das Besondere ist<br />
aber, dass die Schweißzange ein latentes Spannwerkzeug ist, die Bleche und somit die Kontaktstellen<br />
in Position bringt und hält. Meist pressen zwei Elektroden zwei Bleche zusammen. Ist<br />
der Kontakt hergestellt, fließt Strom über die Elektroden durch die Bleche und eine Erwärmung<br />
findet statt. Die Erwärmung kann nach dem Jouleschen Gesetz beschrieben werden:<br />
<br />
2<br />
Q I ( t)<br />
R ( t)<br />
dt<br />
S<br />
ges<br />
S<br />
Formel 1:<br />
Joulesches Gesetz<br />
Hierbei ist I S der Schweißstrom, R ges der Gesamtwiderstand und t S die Stromzeit.<br />
Der Gesamtwiderstand setzt sich aus den Stoff- und Kontaktwiderständen zusammen:<br />
Abbildung 1:<br />
Schematische Darstellung der Stoff- und Kontaktwiderstände einer Widerstandspunktschweißung<br />
Alle Widerstände tragen somit zur Erwärmung bei, jedoch zeigt sich ein typisches dynamisches<br />
Verhalten der Widerstände über die Schweißzeit (Abbildung 2). Die zu Beginn noch<br />
dominierenden Kontaktwiderstände brechen schnell zusammen und die Stoffwiderstände<br />
sorgen für eine fortschreitende Erwämung der Fügestelle:
Forschungsbericht<br />
Reparaturbedingungen Seite 15 von 148<br />
Abbildung 2: Schematische Darstellung des dynamischen Verhaltens der Stoff- und Kontaktwiderstände<br />
Der Schweißstrom I S ist bei modernen Widerstandsschweißmaschinen geregelt (Konstantstromregelung,<br />
adaptive Regelung) und wird über eine bestimmte Zeit t S über die Kupferbasiselektroden,<br />
meist aus CuCrZr, in die Schweißstelle konzentriert eingebracht. Auf die Elektroden wirkt<br />
eine Elektrodenkraft F E , welche die Bleche zusammendrückt. Somit wird die Schweißnaht, bedingt<br />
durch die rotationssymmetrischen Elektroden, als Schweißlinse erzeugt. Es wirkt stets die<br />
Elektrodenkraft [6, 7]. Diese soll konstant sein oder festgelegten Werten folgen.<br />
Die Elektrodenkraft hat großen Einfluss auf die Übergangswiderstände. Sie ebnet die Kontaktstellen<br />
und stellt den Stromfluss über die Kontaktstellen sicher. Dies ist notwendig, da bedingt<br />
durch die Oberflächenrauigkeit und das Beulverhalten der Bleche der Strom nur über bestimmte<br />
Bereiche, den sogenannten a-Spots, fließt. Mit zunehmender Elektrodenkraft werden die Bereiche<br />
plastisch verformt und die a-Spots werden größer. Hierdurch wird der Strompfad sichergestellt,<br />
aber der Widerstand verringert (Abbildung 3).<br />
Problematisch werden die Widerstandsverhältnisse bei Relativbewegungen zwischen den Kontaktpartnern,<br />
da hierdurch einerseits der Übergangswiderstand stark ansteigt und andererseits<br />
es zum Stromfluss über bewegte Kontaktstellen kommt. Ein enormer Anstieg der Wärmeentwicklung<br />
ist die Folge. Es entstehen Spritzer sowie eine deutlich veränderte Schweißpunktgeometrie.