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EFB-Forschungsbericht Nr. 391

Lokale Konditionierung von presshartem Vergütungsstahl für das Hybridfügen von Mischbaustrukturen

efb391

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Ing. Marcus Matzke, Dipl.-Ing. B. Sc. Thomas Olfermann, Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik der Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dr.-Ing. Wilfried Reimche, Dipl.-Ing. Gregor Mroz, Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Ing. Maik Ahnert, Dipl.-Ing. Elisa Broschwitz, Dipl.-Ing. Christian Kraus, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

268 Seiten (sw, 244 teils farbige Abb., 22 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-434-6

Preis (Digital) EUR 82,06

Preis (Print) EUR 102,06

Zusammenfassung

Gesetzliche Vorgaben zu CO2-Emissionen von Neufahrzeugen und die steigende Nachfrage nach ressourceneffizienter Mobilität erfordern neben der Entwicklung effizienter Antriebskonzepte auch die Reduzierung der Gesamtmasse eines Fahrzeuges. Unter anderem kann dieses durch den gleichzeitigen belastungsgerechten Einsatz verschiedener Leichtbauwerkstoffe im Bereich der Karosserie realisiert werden.

Presshärtbare Vergütungsstähle vom Typ 22MnB5 bieten ein hohes Leichtbaupotenzial zu vertretbaren Kosten. Zur bezahlbaren Umsetzung von Mischbauweisen bietet sich der Einsatz dieser Stähle in Kombination mit modernen Aluminiumblechlegierungen der 5000er, 6000er und 7000er Serie an. Das kosteneffiziente Fügen der sich dabei ergebenden Materialkombination stellt eine Herausforderung für die Fügetechnik dar, da konventionelle thermische Fügeverfahren nicht eingesetzt werden können und mischbautaugliche produktive mechanische Fügeverfahren wie Clinchen oder Halbhohlstanznieten aufgrund der hohen Härte und geringen Bruchdehnung des pressharten Stahls ebenfalls nicht prozesssicher eingesetzt werden können.

Im Rahmen dieses öffentlich geförderten Forschungsprojektes „Lokale Konditionierung pressharter Vergütungsstähle zum Hybridfügen von Mischbaustrukturen“ wurde der Ansatz verfolgt, den Einsatzbereich der etablierten, großserientauglichen mechanischen Fügeverfahren zu erweitern, indem durch eine dem Presshärteprozess nachgelagerte kurzzeitige lokale Wärmebehandlung die mechanischen Eigenschaften des pressharten Stahls im Bereich der Fügezone dauerhaft und gezielt auf die Erfordernisse des jeweiligen Fügeverfahrens angepasst werden.

In dem Projekt werden neben der Entwicklung anwendungsgerechter Konditionierungsprozesse und der Abbildung dieser in der Simulation auch detaillierte Analysen zu den mechanischen Eigenschaften des konditionierten Stahls, zum Einfluss der Wärmebehandlung auf das Korrosionsverhalten sowie auf Eigenspannungen in der konditionierten Zone durchgeführt.

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Analyse der Fügeeignung des konditionierten Stahls sowie des Tragverhaltens von mechanisch und hybrid gefügten Verbindungen unter quasi-statischen, schlagartigen und zyklischen Belastungen. Zusätzlich werden Fügeprozesssimulationen einer Mischbauverbindung mit presshartem lokal konditioniertem Stahl durchgeführt. Neben der Bewertung der Reproduzierbarkeit erfolgen unter anderem eine Nutzwertanalyse und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Die umfangreichen Ergebnisse des Projektes belegen, dass eine gezielte lokale Konditionierung von 22MnB5-Werkstoffen bei Anwendung einer Induktions- oder Lasererwärmung technisch und wirtschaftlich grundsätzlich für eine Serienproduktion realisierbar ist und die erzeugten Fügeverbindungen hervorragende Eigenschaften bezüglich der erzielbaren Maximalkräfte und Energieaufnahmen sowie der Reproduzierbarkeit aufweisen. Durch die Projektergebnisse kann ein wichtiger Beitrag zur bezahlbaren Umsetzung von Mischbauweisen in Großserie geleistet werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Lokale Konditionierung von presshartem Vergütungsstahl für das Hybridfügen von Mischbaustrukturen“ wurde unter der Fördernummer AiF 391ZBG von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 391 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Current legislation on CO2 emissions of new vehicles and the increasing demand for re-source-efficient mobility require the development of efficient powertrain concepts and the reduction of the vehicle’s total mass. This includes the load-oriented implementation of innovative lightweight materials in the car body. Hot-stamped boron steels like 22MnB5 offer great weight reduction potential at reasonable costs. A combination of these steels with modern aluminum alloys from 5000, 6000 and 7000 series enable to realize affordable lightweight multi-material car bodies.

The cost-effective joining of the thereby resulting material combination is challenging, since conventional thermal joining methods are not applicable and productive mechanical joining techniques such as clinching or self-pierce riveting fail to join boron steels due to their high hardness and low elongation at break.

The public funded research project "Local conditioning of ultra-high strength boron steels for hybrid joining multi-material structures" focusses on a cost-effective solution. The goal is to extend the application range of established mechanical joining technologies by a controlled permanent modification of the mechanical properties of the joining zone by local heat treatment applied to the boron steel after the hot-stamping process.

Besides the development of short-cycle and repeatable conditioning processes and a FE-model of the local heat treatment, detailed analysis on the mechanical properties of the conditioned steel, the effect of heat treatment on the corrosion behavior and residual stress in the conditioned zone are carried out.

Another focus is the analysis of the joinability of the conditioned steel and performance of mechanical and hybrid joints under quasi-static, crash and cyclic loads. In addition, a joining process simulation is developed. An evaluation of the reproducibility of the developed conditioning methods and joint properties, cost-benefit analysis and a cost calculation are also part of the project.

The extensive experimental and numerical results of the project demonstrate that a con-trolled local conditioning of 22MnB5 steel by using induction or laser heating is technically and economically feasible for series production. The analysis of the joint performance shows excellent results regarding the mechanical properties as well as the reproducibility. The project results can be an important contribution to the realization of affordable multi-material design for future eco-friendly mobility.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   
Tabellenverzeichnis   
Abkürzungsverzeichnis   
1     Einführung
2     Problemstellung und Zielsetzung
3     Stand der Erkenntnisse
3.1     Wärmebehandlung von borlegierten Stählen für den Karosseriebau
3.1.1     Der Werkstoff 22MnB5
3.1.2     Der industrielle Presshärteprozess
3.1.3     Technologien zur Eigenschaftsanpassung im Presshärteprozess
3.2     Erwärmungsmethoden zur lokalen Konditionierung
3.2.1     Grundlagen der Induktionserwärmung
3.2.2     Grundlage zur Lasererwärmung
3.2.3     Grundlagen der resistiven Erwärmung
3.3     Wärmearme Fügeverfahren
3.3.1     Clinchen
3.3.2     Stanznieten
3.3.3     Fließlochformendes und gewindefurchendes Schrauben
3.3.4     Hochgeschwindigkeitsbolzensetzen
3.3.5     Hybridfügen
4     Verwendete Methoden und Versuchseinrichtungen
4.1     Verwendete Probengeometrien
4.2     Verwendete Prüfmaschinen zur Verbindungsprüfung
4.2.1     Universalprüfmaschine ZWICK Z100
4.2.2     Instron VHS 25/20
4.2.3     Schlittenprüfstand
4.3     Umformdilatometer
4.4     Induktionsanlage
4.5     Widerstandspunktschweißanlage
4.6     2kW-Diodenlaser
4.6.1     Lokale dynamische Temperaturmessung mit Thermographie
4.7     Methodik zur Lokalisierung entfestigter Bereiche
4.7.1     Wirbelstromtechnik mit Absolutsonde in Scantechnik
4.7.2     Wirbelstromtechnik mit Harmonischen-Analyse in Scantechnik
4.8     Versuchseinrichtungen zum Fügen
4.8.1     Anlagen zum Clinchen
4.8.2     Anlagen zum Stanznieten
4.8.3     Anlage zum Direktverschrauben
4.8.4     Anlage zum Bolzensetzen
4.9     Korrosionsuntersuchungen in Salzsprühnebelkammer
4.10     Einrichtung zur Eigenspannungsmessung
5     Verwendete Versuchsmaterialien
5.1     Verwendete Stahlwerkstoffe
5.2     Verwendete Aluminiumwerkstoffe Aluminiumlegierung EN AW-6181A-T4
5.3     Verwendete Hilfsfügeelemente
5.3.1     Stanzniete
5.3.2     Schrauben
5.3.3     Setzbolzen
5.4     Verwendeter Klebstoff „DOW Betamate 1480 V203“
6     Entwicklung der lokalen Konditionierung für 22MnB5-Werkstoffe
6.1     Induktionserwärmung
6.1.1     Voruntersuchungen
6.1.2     Vorüberlegungen zur Entwicklung von Wärmebehandlungsstrategien
6.1.3     Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
6.1.4     Einfluss der Beschichtung auf das Entfestigungsergebnis
6.1.5     Einfluss der Blechdicke auf das Entfestigungsergebnis
6.1.6     Bestimmung der mechanischen Eigenschaften mittels Zugproben
6.1.7     Überprüfung der Reproduzierbarkeit im ungeregelten Prozess
6.1.8     Einfluss von Positionsabweichungen im ungeregelten Prozess
6.2     Resistive Erwärmung
6.2.1     Überprüfung der Eignung verschiedener Elektrodenkappengeometrien
6.2.2     Ermittlung der mechanischen Eigenschaften resistiv konditionierter Proben
6.2.3     Einfluss des Randabstandes auf den Entfestigungsprozess
6.2.4     Einfluss vonBeschichtungen auf den Entfestigungsprozess
6.2.5     Standmengenuntersuchungen mit verschiedenen Elektrodenkappen
6.3     Laser-Prozessführung zur lokalen Konditionierung
6.3.1     Aufnahme von Temperatur-Zeitverläufen mittels Thermographie
6.3.1     Wärmebehandlung Strategie 3 – lokale Konditionierung durch Anlassen
6.3.2     Auswirkung der Haltezeit in der Anlassphase auf das Gefüge und die Werkstoffeigenschaften
6.3.3     Lokale Festigkeitskennwerte und Bruchdehnung im konditionierten Bereich
6.4     Gefügeanalyse lokal konditionierter 22MnB5-Werkstoffe
6.4.1     Lokale Gefügeausbildung in der Konditionierungszone –  Lasererwärmung – Strategie 2
6.4.2     Lokale Gefügeausbildung in der Konditionierungszone nach – induktive Erwärmung – Strategie 2
6.5     Korrosionsverhalten von lokal wärmebehandelten AlSi- und Zn-beschichteten Blechproben
6.6     Eigenspannungsverteilung im Bereich der konditionierten Zone
6.7     Zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Lokalisierung konditionierter Werkstoffbereiche
6.7.1     Lokalisierung mittels Wirbelstrom-Scantechnik
6.7.2     Lokalisierung mittels harmonischer Analyse von Wirbelstromsignalen
6.8     Simulation der Wärmebehandlung
6.8.1     Aufbau des Simulationsmodells und Materialmodell für den 22MnB5
6.8.2     2D-Simulationsergebnisse
6.8.3     Aufbau und Ergebnisse des 3D-Simulationsmodells
6.8.4     Zusammenfassung zur Wärmebehandlungssimulation
7     Fügeeignung und -möglichkeit von lokal konditionierten 22MnB5-Werkstoffen
7.1     Clinchen
7.1.1     Untersuchungen zum Einfluss der Fügerrichtung
7.1.2     Vergleich der Tragfähigkeit vorlochfrei gefügter Verbindungen zu Verbindungen mit stempelseitig vorgelochtem 22MnB5
7.2     Halbhohlstanznieten
7.2.1     Halbhohlstanznietverbindungen mit resistiv entfestigtem 22MnB5
7.2.2     Halbhohlstanznietverbindungen mit induktiv entfestigtem 22MnB5
7.2.3     Tragverhaltenvon Halbhohlstanznietverbindungen mit induktiv entfestigtem 22MnB5
7.2.4     Halbhohlstanznietverbindungen mit Laser-entfestigtem 22MnB5
7.3     Fließlochformendes und –gewindefurchendes Schrauben
7.3.1     Verbindungsausprägung und Prozessparameter
7.3.2     Tragverhalten von direktverschraubten Mischbauverbindungen
7.4     Hochgeschwindigkeitsbolzensetzen
7.5     Vollstanznieten
7.6     Randbedingungen beim Fügen
7.7     Simulation der Fügeprozesse Clinchen und Halbhohlstanznieten
7.7.1     Vorbetrachtungen und Zielstellung des Arbeitspaketes
7.7.2     Allgemeine Vorgehensweise und Modellaufbau
7.7.3     Abbildung des Trennvorganges beim Halbhohlstanznieten
7.7.4     Vorgehensweise und Ergebnisse der Fügesimulation mit rotationssymmetrischer Gefügeausbildung nach dem Anlassen
7.7.5     Vorgehensweise und Ergebnisse der Fügesimulation mit nicht rotationssymmetrischer Gefügeausbildung nach dem Anlassen
7.7.6     Zusammenfassung zur Fügesimulation
7.8     Hybridfügen
7.8.1     Bemusterung der hybridgefügten Verbindungen
7.8.2     Tragverhalten hybridgefügter Verbindungen
7.8.3     Analyse der Klebschichtausbildung und der effektiven Klebfläche
7.8.4     Fazit zu den Mehrelement- und Scherzugprüfungen
7.9     Eigenschaften hybridgefügter bauteilähnlicher Proben
8     Nutzwertanalyse der Prozessführung zur Konditionierung
9     Ergebnisse
10     Literaturverzeichnis
11     Anhang
12     Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU