SB_20217NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zu
Umformeigenschaften
von rührreibgeschweißten
Mischverbindungen

Untersuchungen zu
Umformeigenschaften von
rührreibgeschweißten
Mischverbindungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.217 N
DVS-Nr.: 05.3052
RWTH Aachen,
Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
RWTH Aachen,
Institut für Bildsame Formgebung
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.217 / DVS-Nr.: 05.3052 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
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 497
Bestell-Nr.: 170607
ISBN: 978-3-96870-497-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
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Inhaltsverzeichnis
1. Kurzzusammenfassung ...................................................................................................... 4
2. Danksagung ....................................................................................................................... 6
3. Einleitung ............................................................................................................................ 7
3.1. Forschungsziel............................................................................................................. 8
4. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und Ergebnisse mit Zielen des
Forschungsantrags ............................................................................................................. 9
5. Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ........................................................ 12
5.1. Auswahl und umformtechnische Charakterisierung der im Projekt verwendeten
Grundwerkstoffe ............................................................................................................... 12
5.2. Ausarbeitung einer anlagen- und werkstoffunabhängigen Methodik
......................................................................................................................................... 18
5.3. Prozessrobustheit Rührreibschweißen von Misch-verbindungen
......................................................................................................................................... 21
5.3.1. Ermittlung von Rührreibschweißparametern in Abhängigkeit der gewählten
Materialkombinationen ........................................................................................... 21
5.3.2. Bewertung des Einflusses der Schweißparameterfelder auf die Ausbildung der
Schweißnaht .......................................................................................................... 26
5.3.3. Metallographische und rasterelektronenmikroskopische Analysen der
Schweißnähte ........................................................................................................ 34
5.3.4. Herstellung von Multi-Material-Blechhalbzeugen
.............................................................................................................................. 43
5.3.5. Erweiterung der Schweißparameterfelder durch Vorwärmung
.............................................................................................................................. 44
5.3.6. Thermische Auslagerungsversuche und Analysen des Phasenwachstums
.............................................................................................................................. 45
5.4. Einfluss der Nahteigenschaften auf die Umformbarkeit von Mischverbindungen
......................................................................................................................................... 50
5.4.1. Materialprüfung und Charakterisierung von rührreibgeschweißten
Mischverbindungen ................................................................................................ 50
5.4.2. Untersuchungen zur Umformbarkeit von Schweißverbunden
.............................................................................................................................. 54
5.4.3. Bewertung der Umformbarkeit bei variierenden Schweißparametern und
Rückkopplung zum Schweißprozess ..................................................................... 69
5.5. Simulation und Modellbildung zum Umformverhalten der Schweißnaht
......................................................................................................................................... 69
5.5.1. FE-Modellerstellung zur Umformbarkeit der Multi-Material-Verbunde
.............................................................................................................................. 69

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.217N
5.5.2. Vergleich der Lösungsansätze und Validierung
.............................................................................................................................. 71
5.6. Herstellung von praxisrelevanten Musterbauteilen
......................................................................................................................................... 77
6. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................................... 87
7. Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 88
8. Verwendung der Zuwendungen ........................................................................................ 92
9. Notwendigkeit und Angemessenheit der Arbeiten ............................................................. 93
10. Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................................................... 94
11. Durchführende Forschungseinrichtungen ......................................................................... 98
12. Literaturverzeichnis........................................................................................................... 99
13. Abbildungsverzeichnis .................................................................................................... 100
14. Anhang ........................................................................................................................... 105
14.1. Versuchsplan DC04-AW5754 mit Ergebnissen der Zug- und Schwenkbiegeversuche
....................................................................................................................................... 105
14.2. Versuchsplan optimierter Parameterbereich CW008A-AW1050A mit Ergebnissen der
Zug- und Schwenkbiegeversuche ................................................................................... 106
14.3. Probenlage und Zuweisung für thermische Auslagerungsversuche
....................................................................................................................................... 106

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3. Einleitung
Viele Industriezweige, insbesondere im Transportsektor, stehen zunehmend vor großen
Herausforderungen in Bezug auf ökologische und wirtschaftliche Aspekte. Ein wichtiger Ansatz,
um die Emissionen von Fahrzeugen zu senken und einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz
zu leisten, ist die Reduzierung des Gewichts des Gesamtfahrzeugs bzw. seiner
Einzelkomponenten. Das Einsparpotential bei konsequentem Leichtbau wird hier je nach
Fahrzeugklasse auf bis zu 30 % geschätzt [1]. Somit hat der Leichtbau seit vielen Jahren Einzug
in den Bereich des Mobilitätssektors gehalten. Leichtbau kann unter anderem durch gezielte
Bauteilauslegung in Bezug auf den Materialeinsatz, die Kombination von unterschiedlichen
Werkstoffen oder auch die Kombination von beidem erreicht werden. Verschiedene Werkstoffe
in unterschiedlicher Dicke ermöglichen ein belastungsoptimiertes Bauteil zu designen, das
entsprechend des Einsatzortes alle gewünschten Eigenschaften bereitstellt.
Multi-Material-Verbunde in komplexen Formen herzustellen stellt insbesondere die Fügetechnik
vor große Herausforderungen, da bei komplexen Bauteilgeometrien die Zugänglichkeit für das
jeweilige gewählte Fügeverfahren unter Umständen nicht gegeben ist. Das Fügen von
Mischverbindungen im ebenen Zustand mit der sich anschließenden Formgebung zu einem
funktionsfähigen Bauteil stellt dagegen die Umformtechnik aufgrund der unterschiedlichen
Materialeigenschaften vor große Herausforderungen.
Vorherige Untersuchungen [2] haben gezeigt, dass der Fügeprozess des Rührreibschweißens je
nach Wahl der Rührreibschweißparameter unterschiedliche Materialeigenschaften hervorruft.
Ziel des in diesem Abschlussbericht beschrieben Projekts war es für unterschiedliche
Mischverbindungen die Rührreibschweißparameter zu identifizieren, bei denen der
Materialverbund eine hohe Umformbarkeit aufweist, während eine zuverlässige Nahtausbildung
gewährleistet ist.
Dazu wurden drei Mischverbindungen in Betracht gezogen. Eine Aluminium-Stahl-
Mischverbindung mit einer Blechdicke von jeweils 1 mm, eine Aluminium-Kupfer-
Mischverbindung mit Blechdicken von 3 mm und eine Aluminium-Magnesium-Mischverbindung
mit 2,4 mm dicken Blechen. Nach der Charakterisierung der einzelnen Grundwerkstoffe in Zugund
Nakajima-Versuchen wurden Mischverbindungen der genannten Werkstoffkombinationen
mit unterschiedlichen Schweißparametern hergestellt. Zur Ausbildung der Anbindung wurde
anschließend ein Bezug zu den Schweißparametern hergestellt und Handlungsempfehlungen für
die Optimierung der Verbindung abgeleitet. Die mechanischen Eigenschaften der
Mischverbindungen wurden hinsichtlich der Zugfestigkeit sowie der maximalen Umformbarkeit
quantifiziert. Diese wurden dabei in Abhängigkeit der Schweißnahtausrichtung betrachtet.
Weiterhin wurden Grenzformänderungskurven der Mischverbindungen bestimmt und die
Übertragbarkeit von genormten Testmethoden wie Nakajima-Versuchen auf Multi-
Materialverbindungen analysiert. Auf Basis der sich als erfolgreich darstellenden
Schweißparameter wurden Demonstratorbauteile gefertigt, welche in erster Linie für die
Aluminium-Stahl-Verbindung vielversprechende Ergebnisse liefert. Zusätzlich wurde anhand von
FE-Simulation zum Umformverhalten der Mischverbindungen im Nakajima-Test analysiert,
welche Modellierung der Schweißnaht für die Umformsimulation hinreichend ist.
Es konnte im Verlauf des Projektes gezeigt werden, dass durch eine Anpassung der
Rührreibschweißparameter die Umformbarkeit der geschweißten Mischverbindungen gezielt
beeinflusst werden kann. Als treibende Einflussgröße für die Steigerung der monoaxialen

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Umformbarkeit konnte bei allen untersuchten Mischverbindungen der Versatz der
Werkzeugachse zum Stoß identifiziert werden. Im Verlaufe des Projektes wurden für alle drei
Mischverbindungen Schweißparameterkombinationen identifiziert, welche gute Zugfestigkeiten,
für Al-St und Al-Cu im Bereich der Grundwerkstofffestigkeiten, aufweisen. Die Umformbarkeit der
Mischverbindungen blieb in allen Fällen der Charakterisierung der Mischverbindungen in
Nakajima-Versuchen unterhalb der Benchmarkversuche der Grundwerkstoffe. Einachsige
Biegung zeigte vielversprechende Ergebnisse zum Übertrag in praktische Anwendungen,
während mehrachsige Belastungszustände zum frühzeitigen Versagen aufgrund von
Spannungsspitzen in der heterogen ausgebildeten Schweißzone führten.
3.1. Forschungsziel
Der Stand der Technik zu Projektbeginn sowie eigene Untersuchungen zeigten, dass
Mischverbindungen grundsätzlich rührreibgeschweißt werden können, es jedoch an
systematischem Prozesswissen über eine umformtechnische Anwendung an solchen
Verbindungen fehlt. Bisherige Untersuchungen von rührreibgeschweißten Mischverbindungen
konzentrieren sich entweder auf die grundlegende Beschreibung der Bindungsmechanismen
oder auf einfache mechanische Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeiten). Nur wenige Ergebnisse aus
der Forschung beschreiben die Umformbarkeit von Mischverbindungen. Dabei spielt die
Umformbarkeit bei dem sehr großen Sektor der blechverarbeitenden Industrie eine häufig
einsatzentscheidende Rolle.
Im Fokus der Verbundcharakterisierung steht der Einfluss einer veränderlichen Schweißnahtlage
auf die Materialeigenschaften sowie das Formänderungsvermögen während verschiedener
Belastungszustände. Diese werden mittels konventioneller Prüfverfahren aus der
Blechumformung abgebildet und unter Zuhilfenahme von optischen Messsystemen bestimmt. So
sollen Multi-Material-Halbzeuge geschweißt und für den Umformprozess entsprechend ausgelegt
werden.
Das Forschungsziel dieses Vorhabens war, dass durch Verständnis der Umformbarkeit von
rührreibgeschweißten Mischverbindungen und den damit verbundenen Fehlerrisiken geeignete
Schweißprozessmodifikationen gefunden werden, die die sichere und fehlerfreie Herstellung
entsprechender Verbindungen ermöglichen. Hieraus ergaben sich folgende Forschungsfragen:
Welche Einflussgrößen des Rührreibschweißprozesses können hinsichtlich optimaler
Umformeigenschaften beeinflusst werden?
Wie kann die Umformbarkeit rührreibgeschweißter Mischverbindungen in Abhängigkeit
unterschiedlicher Schweißparameterfelder bewertet werden?
Wie sieht eine werkstoff- und anlagenunabhängige Methodik zur Optimierung der
Umformeigenschaften für rührreibgeschweißte Mischverbindungen durch Anpassung der
Schweißparameter/Schweißparameterfelder im Rührreibschweißprozess aus?

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4. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und
Ergebnisse mit Zielen des Forschungsantrags
Die Bearbeitung des Projektes erfolgte durch Mitarbeitende des Instituts für Schweißtechnik und
Fügetechnik der RWTH Aachen University sowie Mitarbeitende des Instituts für Bildsame
Formgebung der RWHT Aachen University.
Das Projekt war in mehrere aufeinander aufbauende und teilweise zwischen den
Forschungsstellen parallelisierte Arbeitspakete gegliedert (vgl. Abbildung 1). AP1 diente der
allgemeinen Festlegung der Versuchswerkstoffe. Diese erfolgte in Absprache mit den Mitgliedern
des projektbegleitenden Ausschusses. In der Kickoff-Sitzung wurden die ersten zwei
Materialkombinationen und in der 4. Sitzung die dritte Materialkombination basierend auf den im
Antrag erarbeiteten Anwendungsfeldern und der industriellen Relevanz festgelegt (siehe 5.1).
Diese wurden charakterisiert und entsprechende Schweißversuchsstände und
Werkstückprüfstände vorbereitet. Ziel von AP2 war die Erarbeitung eines methodischen
Vorgehens zum Aufbau von Prozessverständnis und Umformbarkeit sowie die Verbreitung dieses
Wissens. In AP3 wurden die rührreibschweißtechnischen Gesichtspunkte der
Mischverbindungen betrachtet und die Erkenntnisse aus AP4 in den Schweißprozess
rückgeführt. AP4 befasste sich mit der Charakterisierung der Nahteigenschaften auf die
Umformbarkeit, wobei die Ergebnisse aus AP1 als Benchmark genutzt wurden und die
Ergebnisse als direkter Eingang für die Schweißparameteroptimierung von AP3 dienen. AP5
behandelte die simulative Abbildung der erzeugten Mischverbindungen sowie deren
Umformbarkeit. Weiterer Bestandteil war die Validierung der über verschiedene Ansätze erzielten
Ergebnisse. Abschließen wurden in AP6 Funktionsdemonstratoren, basierend auf potentiellen
Anwendungen der Mischverbindungen erstellt.