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EFB-Forschungsbericht Nr. 431

Mechanisches Fügen hochmanganhaltiger TWIP-Stähle

efb431

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Ing. Marcus Matzke, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

132 Seiten (sw, 101 teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-479-7

Preis (Digital) EUR 52,06

Preis (Print) EUR 64,77

Zusammenfassung

In diesem Projekt wurden anhand der Fügeverfahren Clinchen, Halbhohlstanznieten und Vollstanznieten Möglichkeiten für das Verbinden von modernen TWIP-Stahllegierungen, mit den im automobilen Karosseriebau etablierten, hochfesten Stahlgüten HC340LA und HCT600X sowie der 6000'er Aluminiumknetlegierung EN AW-6181 aufgezeigt.

Das Clinchen zeigte bei allen untersuchten Materialkombinationen ein hohes Potential zur Realisierung der Fügeverbindungen. Dabei konnten die TWIP-Stähle sowohl in stempelseitiger als auch in matrizenseitiger Anordnung zufriedenstellend gefügt werden. Aufgrund der hohen Festigkeit der TWIP-Stähle sind extrem große Fügekräfte zur Ausbildung des Hinterschnitts notwendig, sodass bei beiden Systemen (öffnende und geteilte Matrize) pulvermetallurgische Werkzeuge bzw. Werkzeuge aus Hartmetall zum Einsatz kamen. Starre Matrizen haben sich für anspruchsvolle Fügeaufgaben, wie das Verbinden mit der Aluminiumknetlegierung, als vorteilig erwiesen.

Auch für das Halbhohlstanznieten kann die Fügemöglichkeit und Fügeeignung für stempelseitig angeordnete TWIP-Stähle aufgezeigt werden. Bedingt durch die hohe Werkstofffestigkeit ist eine matrizenseitige Anordnung nicht möglich. Weiterhin ist der Einsatz von neuentwickelten HDX-Nietelementen notwendig, um Risse im Niet bzw. ein Kollabieren zu unterbinden.

Hinsichtlich des Vollstanznietens können alle Materialkombinationen, bis auf die stempelseitige Anordnung der Aluminiumknetlegierung zufriedenstellend gefügt werden. Jedoch müssen insgesamt bei matrizenseitiger Anordnung des TWIP-Stahls spezifische Anpassungen vorgenommen werden. So wird zum einen für eine optimale Füllung der Ringnut ein Einbereichsniet verwendet. Zum anderen werden die Matrizen mit Fasen an den Prägeringen versehen, um die Standmengen zu erhöhen.

Basierend auf den Erkenntnissen der Bemusterungsversuche wurden für alle Verfahren exemplarisch mit ausgewählten Verbindungen Tragfähigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Für alle geprüften Verbindungen können ausreichend große Kräfte übertragen werden, sodass geeignete Verbindungsfestigkeiten erzielt werden.

Unter Verwendung der statistischen Versuchsplanung ist exemplarisch die Optimierung einer Clinchverbindung aufgezeigt worden. Der durch den Versuchsplan vorgegebene Versuchsaufwand steht in keinem Verhältnis zur erzielten Verbesserung.

Bei Standmengenuntersuchungen zum Clinchen wurde exemplarisch eine Verbindung ausgewählt, die nur mit sehr großen Prozesskräften realisierbar ist, um eine maximale Beanspruchung der Werkzeuge zu erzielen. Der Versuch wurde aufgrund von Werkstoffmangel abgebrochen. Die Werkzeuge wiesen dabei nach knapp 27000 Fügepunkten leichte Abnutzungserscheinungen auf, welche jedoch im unkritischen Bereich lagen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Mechanisches Fügen hochmanganhaltiger TWIP-Stähle" wurde unter der Fördernummer AiF 17864N 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 431 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In this project options for joining modern TWIP steel alloys, with in the automobile car body construction established high-strength steel grades like HC340LA and HCT600X and the 6000'er wrought aluminum alloy EN AW-6181 are illustrated by the clinching, semi-tubular -and solid self pierce riveting.

Clinching showed for all examined combinations of materials a high potential for the realization of the joints. The TWIP steels were joined satisfactory both in joining directions. Due to the high strength of the TWIP - Steels extremely large joining forces are necessary to form the interlock, so that powder metallurgy tools or carbide tools are used in both clinching systems. Solid dies showed some advantages for demanding joint tasks, e.g. for joining the wrought aluminum alloy with one of the TWIP-alloys.

Also for the semi-tubular self pierce riveting, the ability and suitability for joining punch sided arranged TWIP steels were assigned. Due to the high strength of TWIP – Steels die sided position is not possible. Furthermore, the use of newly developed HDX rivet elements is necessary in order to prevent cracks in the rivet or a collapse. 

Regarding to the solid self pierce riveting, all compounds are joined satisfactorily up to the punch-side arranged wrought aluminum alloy. However, specific adjustments must be made in total at die sided arrangement of TWIP steel. Thus, for a single range rivet is used for an optimum filling of the shank groove. On the other hand, the matrices are provided with chamfers on the forming ring to increase the tool life.

Based on the findings of the sampling experiments were carried out for all joining technologies exemplarily with selected combinations strength investigations. For all tested joints adequate forces can be transmitted sufficiently, so that suitable joint strengths are obtained.

By using the design of experimental, an optimization of a clinch joint could be demonstrated exemplary. The efforts for the predetermined preliminary investigations by experimental design did not satisfy the achieved improvement.

In tool monitoring studies to clinching a joint was exemplarily selected, which can only be realized with very large process forces to achieve maximum load to the tools. The experi-ments was stopped due to lack of materials. The tools showed here after barely 27000 points slight abrasion phenomena, which were in the safe range.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Forschung
2.1 Verformungsinduzierte Zwillingsbildung (TWIP-Effekt)
2.1.1 Mechanische Zwillingsbildung (TWIP Effekt)
2.1.2 Martensitische Phasenumwandlung (TRIP Effekt)
2.1.3 Einfluss der Legierungselemente
2.1.4 Abgrenzung zu TRIP-Stählen
2.1.5 Eigenschaften der TWIP-Stähle
2.2 Verwendete mechanische Fügeverfahren
2.2.1 Clinchen
2.2.2 Halbhohlstanznieten
2.2.3 Vollstanznieten
2.3 Statistische Versuchsplanung
2.3.1 Begriffe und Definitionen
2.3.2 Versuchspläne
2.3.3 Vorgehensweise und Anwendung der statistischen Versuchsplanung
2.3.4 Statistik-Software Minitab
3 Verwendete Anlagentechnik
3.1 Verwendete Fügeeinrichtungen
3.1.1 Halbhohlstanznietanlagen
3.1.2 Clinchanlagen
3.1.3 Vollstanznietanlage
3.2 Verwendete Prüfeinrichtungen
3.2.1 Kleinkrafthärteprüfer
3.2.2 Universalprüfmaschinen Zwick Z 100/ 1486
3.2.3 Schenk Hydropulser PSA
4 Versuchswerkstoffe, Hilfsfügeelemente, Probengeometrie
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.2 Hilfsfügeteile
4.2.1 Verwendete Vollstanznietgeometrien
4.2.2 Verwendete Halbhohlstanznietgeometrien
4.3 Probengeometrie
4.3.1 Kreuzkopfzugprobe
4.3.2 Schälzugprobe
4.3.3 Scherzugprobe
5 Bemusterungsuntersuchungen
5.1 Clinchen
5.1.1 Randbedingung zur Clinchbemusterung
5.1.2 Vorgehensweise zur Clinchenbemusterung
5.1.3 Besonderheiten beim Clinchen von TWIP-Stählen
5.1.4 Untersuchung zur Korrelation der Verbindungsfestigkeit und der Werkstoffhärte in Abhängigkeit der Durchsetztiefe
5.1.5 Fazit zum Clinchen von TWIP Stählen
5.2 Halbhohlstanznieten
5.2.1 Randbedingungen zur Halbhohlstanznietbemusterung
5.2.2 Vorgehensweise zur Halbhohlstanznietbemusterung
5.2.3 Besonderheiten beim Halbhohlstanznieten von TWIP-Stählen
5.2.4 Fazit zum Halbhohlstanznieten von TWIP Stählen
5.3 Vollstanznieten
5.3.1 Vorgehensweise zur Vollstanznietbemusterung
5.3.2 Einfluss der Nietkopfendlage
5.3.3 Vollstanznieten mit stempelseitiger Anordnung der TWIP-Stähle
5.3.4 Vollstanznieten mit matrizenseitiger Anordnung der TWIP-Stähle
5.3.5 Fazit zum Vollstanznieten von TWIP Stählen
6 Nutzung der statistische Versuchsplanung
6.1 Vorversuche und Auswahl des Versuchsplans
6.2 Auswertung des Versuchsplans
6.3 Verbindungs- und Tragfähigkeitsoptimierung
7 Tragfähigkeitsuntersuchungen
7.1 Vollstanznieten
7.2 Halbhohlstanznieten
7.2.1 Quasistatisch
7.2.2 Zyklisch
7.3 Clinchen
8 Standmengenuntersuchungen
9 Konstruktionsempfehlungen / Hinweise für den Anwender
10 Ergebnisse
11 Literaturverzeichnis
12 Einschätzung des Nutzens für KMU
13 Anhang