Widerstandspunktschweißen Schweißen unter Zug – LME-Eingangsprüfung für die Autoindustrie

Autor / Redakteur: Max Biegler, Bassel El-Sari und Michael Rethmeier / M.A. Frauke Finus

Der Trend zum Leichtbau und die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie befeuern die Entwicklung neuer hochfester Stähle für den Karosseriebau. Derartige Werkstoffe sind beim Widerstandspunktschweißen besonders rissanfällig (LME). Das Schweißen unter Zug stellt eine effektive Methode um die LME-Anfälligkeit unterschiedlicher Werkstoffe qualitativ zu bestimmen.

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Automobilkarosserie: Hier sind die Widerstandspunktverbindungen gekennzeichnet.
Automobilkarosserie: Hier sind die Widerstandspunktverbindungen gekennzeichnet.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Die sich verschärfenden EU-Richtlinien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Neufahrzeugen, zwingen die Automobilhersteller unter anderem Leichtbaukonzepte im Karosseriebau einzusetzen. Durch die Reduzierung der Fahrzeugmasse, können unter anderem kleinere Antriebsleistungen mit geringerem Kraftstoffverbrauch und damit mit einer geringeren Treibhausgasemissionsbelastung realisiert werden. Der Trend zum Leichtbau wird in Zukunft zusätzlich durch die Transformation hin zur E-Mobilität und der eingehenden Reichweitenproblematik befeuert. Demgegenüber stehen sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Steifigkeit (Fahrkomfort und Fahrstabilität) und Crashsicherheit der Karosserie. Daher eignen sich insbesondere die folgenden Werkstoffe für Leichtbaukonzepte: hochfeste Stähle, Aluminiumlegierungen und Faser-Kunststoff-Verbunde. Karosserien für Volumenmärkte (Klein- und Mittelklassesegment) werden aufgrund des Kostendrucks üblicherweise als artreine Stahl-Schalenbauweisen mit intensivem Einsatz von verzinkten hochfesten stählen hergestellt. Bei diesen Werkstoffen kommt es beim Widerstandspunktschweißen (WPS) häufig zu Flüssigmetall induzierter Rissbildung (Englisch: liquid metal embrittlement LME), welche das Tragverhalten von WPS-Verbindungen negativ beeinflussen können. Diese Risse entstehen im Bereich der Elektrodeneindrücke oder an deren Rändern. Beim WPS solcher Werkstoffe wird das Zink auf der Oberfläche verflüssigt, dies führt zu einer Schwächung der Korngrenzen. Unter der Einwirkung von Zugbeanspruchung parallel zur Oberfläche kommt es zum Aufreißen der geschwächten Korngrenzen. Die Zugbeanspruchung wird sowohl durch die eindringende Elektrode infolge Verformung der Bleche während des Schweißens als auch durch die fertigungsbedingte Eigenspannung (Tiefziehen) des Bauteils hervorgerufen. Um derartige Schweißverbindungen gegen LME-Risse abzusichern, bedarf es einer zuverlässigen Eingangsprüfung, um beispielsweise besonders LME-affine Werkstoffe auszuschließen oder LME-arme Parameterfenster zu bestimmen. Dafür eignet sich insbesondere die Methode „Schweißen Unter Zug“.

Eigenspannungszustand von Blechen

Die Methode „Schweißen unter Zug“, die in einem gemeinsamen Forschungsprojekt vom Fraunhofer-Institut für Produktionsanalgen und Konstruktionstechnik IPK, dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung vorangetrieben wird, basiert auf dem Schweißen einer vorgespannten Zugprobe. Dabei wird die Zugprobe eingespannt und mit einer hydraulischen Zugvorrichtung mit einer bestimmten Zugkraft belastet. Mit dieser Belastung wird der Eigenspannungszustand von Blechen nach dem Umformen nachgestellt. Es wird ein Fügepartner auf die Zugprobe gelegt und mittels WPS geschweißt. Während der gesamten Schweißzeit wird die Zuglast aufrechterhalten. Dabei muss beachtet werden, dass aufgrund der Streuung des Prozesses, mindestens 10 Wiederholungen je Zuglaststufe durchgeführt werden müssen. Die Zuglaststufen werden in Relation zur Streckgrenze bestimmt, als Produkt der Querschnittsfläche, der Streckgrenze und dem Prozentsatz der jeweiligen Zuglaststufe.

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Nach dem Schweißen muss das Zink auf der Oberfläche der geschweißten Proben entfernt werden, zum Beispiel mit einer Beizpaste. Danach werden die entzinkten Proben mit einem Lichtmikroskop untersucht. In dieser Aufnahme können die entstandenen Risse deutlich erkannt werden. Die Vermessung wird mit einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware durchgeführt. Dafür werden die Risse nachgezeichnet und die Länge der entstandenen Kurven ausgelesen. Diese werden als kumulierte Risslänge zusammengefasst.

Vergleich der LME-Anfälligkeit ermöglichen

Die kumulierte Risslänge wird dann, als qualitative Zielgröße für die Quantifizierung der LME-Anfälligkeit im Vergleich zu anderen Stahlwerkstoffen hingezogen. Ein Diagramm zeigt: Die kumulierte Risslänge wird für die untersuchten Werkstoffe über die getesteten Zuglaststufen mit Streubalken eingezeichnet. Aus dem Diagramm kann dann visuell festgestellt werden welcher Werkstoff LME-anfälliger ist beziehungsweise ob der Grad der LME-Anfälligkeit bestimmten Vorgaben genügt. Beispielsweise könnte eine Vorgabe sein, dass erst ab einer bestimmten Zuglaststufe eine gewisse Risslänge auftritt.

Das Schweißen unter Zug liefert qualitative Ergebnisse, die einen Vergleich der LME-Anfälligkeit zwischen unterschiedlichen hochfesten Stählen mit Zinküberzug ermöglichen. Mit dieser Methodik ist es möglich, die prinzipielle Rissempfindlichkeit mit geringem Aufwand beim WPS einzelner Werkstoffe zu bewerten. Beispielsweise kann das Verfahren als Eingangsprüfung zur Ermittlung eines Werkstoffrankings bezogen auf die Rissanfälligkeit oder als Prüfstand zur Ermittlung LME-armer Parameterfenster eingesetzt werden. Damit ist diese Methode als Eingangsprüfung sowohl für OEMs als auch für Zulieferer ideal.

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