SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG - stahl-online · SZMF, ESAF, Fol. Fügetechnische Herausforderunge...

SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG

Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design

W. Flügge

Dresden, den 15. September 2015


Agendag

Treiber für Leichtbau

SALZGITTERMANNESMANN

Mischbauweisen im Automobilbau

Fügetechniken für MischbauweiseMANNESMANNFORSCHUNG

Fügetechniken für Mischbauweise

Beispiele für technologische Lösungen

Fazit

ie 2

, Wer

ksto

ffwoc

he

.

SZM

F, E

SA

F, F

oli


Verbrauchsaufteilung am Beispiel Golf A6 1,4 TSIg p ,


ie 3

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 06/2010


Energieverbrauch am Beispiel Elektroautog p


ie 4

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: Friedrich und Hülsebusch 2012


Stand der Karosseriebauweisen


ie 5

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 10/2008


Tradition der Mischbauweise


ie 6

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: Ford


Materialauswahl im Wandel der Zeit


ie 7

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005


Auswahlkriterien für automobiltypische Werkstoffeyp


ie 8

, Wer

ksto

ffwoc

he

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005


Eigenschaften für die Bewertung der Werkstoffeg g

Eigenschaften mit Relevanz für die Auswahl

Eigenschaften mit Konsequenzen auf die Verarbeitung/Auslegung

Thermischer Beständigkeit

FestigkeitDichte

g g g

Treibhausgasemissionen hi d W k t ff

Abstand in der elektrochemischen Spannungsreihe

Oberflächen

verschiedener Werkstoffe


EnergieaufnahmeGültigkeit von zeitraffenden Labortests

MANNESMANNFORSCHUNG

Herstellbare

KostenVerbindungstechnologie mit anderen Komponenten

ie 9

, Wer

ksto

ffwoc

he

Wärmeausdehnungs-koeffizienten

Herstellbare Geometrien

Technologien zur

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Relaxationsverhalten

Technologien zur Bauteilerzeugung


Definition Mischbauweise aus Sicht Fügetechnikg

AutomobiltypischesStahlfeinblech

Mischbau auf Stahlbasis

Mischbau auf Metallbasis

Mischbau auf Festkörperbasis

„Stahlbrille“ Metallischer Überzug

Metallschäume

ReferenztechnolgiePunktschweißen

O i h

AustenitischesGefüge StahlsandwichverbundblecheSALZGITTER

MANNESMANNFerritsches Gefüge

Organischer Überzug

Mischgefüge auf

MartensitischesGefüge

MetallsandwichverbundblecheMANNESMANNFORSCHUNG

g gFerritscher Basis

Magnesiumblech

Magnesiumguß

Thermoplastische Kunststoffe

Holzwerkstoffe

ie 1

0, W

erks

toffw

oche

Aluminiumblech

Magnesiumguß

DuroplastischeKunststoffe

Holzwerkstoffe

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Aluminiumguß

Glaswerkstoffe


Füllhorn der Fügetechnologieng g

Schweißen

SALZGITTERMANNESMANNMechanisches

FügenMANNESMANNFORSCHUNG

Kleben

ie 1

1, W

erks

toffw

oche

Kleben

SZM

F, E

SA

F, F

oli


Fügetechnologien und Mischbauweise g g

AutomobiltypischesStahlfeinblech

Mischbau auf Stahlbasis

Mischbau auf Metallbasis

Mischbau auf Festkörperbasis

„Stahlbrille“ Nicht sofort festOberflächensensitiv

GünstigEtabliert

Komplexer Prozeß

SALZGITTERMANNESMANNEtabliert

Sofort fest

EtabliertSofort festEnges Prozessfenster

Sofort festZus Fügeteil

MANNESMANNFORSCHUNG

Enges Prozessfenster

EtabliertSofort festZus. Fügeteil

Zus. FügeteilKomplexer Prozeß

ie 1

2, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Schweißen pressgehärteter Bauteilep g

Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone

Bekannter Effekt bei konventionellen Güten

Festigkeitsabfall beiSALZGITTER

MANNESMANN Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten

MANNESMANNFORSCHUNG

ie 1

3, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i

Quelle: Dr.-Ing. J. Overrath, Thyssenkrupp Sofidit SAS, Dr. F.-J. Lenze, S. Sikora, ThyssenKrupp Steel Europe: „Aktuelle Entwicklung der Warmumformung im automobilen Fahrzeugbau“;


Presshärten und Beschichtungeng

WerkstoffbeschichtungAlSi

• Passiver Verzunderungsschutz

• Gute Lackhaftungg

• Nur direkt verarbeitbar• Kein kathodischer

KorrosionsschutzKorrosionsschutz

WerkstoffbeschichtungZn basiert

SALZGITTERMANNESMANN Zn-basiert • Verzunderungsschutz

• Kathodischer Korrosionsschutz

MANNESMANNFORSCHUNG

• Nur indirekt verarbeitbar• Aufwendiger

FertigungsprozessQuelle: SSAB Hardtech: Martensitbildung beim Presshärten

ie 1

4, W

erks

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oche

Unbeschichteter Werkstoff• Sandstrahlen erforderlich• Starke

Werkzeugverschmutzung

SZM

F, E

SA

F, F

oli

• Werkstoff kostengünstig• Direkt und indirekt

verarbeitbar


Schweißen pressgehärteter Bauteilep g

Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone

Bekannter Effekt bei konventionellen Güten

Festigkeitsabfall beiSALZGITTER

MANNESMANN Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten

MANNESMANNFORSCHUNG

ie 1

5, W

erks

toffw

oche

Lösung: Berücksichtigung des „Härtesack“ in AuslegungNutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben

SZM

F, E

SA

F, F

oliNutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben


Schweißen hochmanganhaltiger Stähleg g

Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge

Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi 18 10 HSD600

®

Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6

Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] 64 15 11

Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] 140 170 290

Liquidustemperatur [°C] 1530 1460 1377SALZGITTER

MANNESMANNLiquidustemperatur [ C] 1530 1460 1377Keine Aufhärtung der Fügezone

Erstarrungs-

HeißrissneigungMANNESMANNFORSCHUNG

Erstarrungsrichtung

Schrumpfungs-richtung

Restschmelze

ie 1

6, W

erks

toffw

oche

Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik

SZM

F, E

SA

F, F

oli


HSD®-Stahl: Konstruktionsvorteile

1200nu

ngVorteil 2: Hohe DehnungVorteil 2: Hohe Dehnung

800

[MPa]

Spa

nn HSD®-Stahl

600

800Vorteil 1:Hohe FestigkeitVorteil 1:Hohe FestigkeitSALZGITTER

MANNESMANN400 Dualphasenstahl

MANNESMANNFORSCHUNG

0

200Weicher Tiefziehstahl

ie 1

7, W

erks

toffw

oche

Vorteil 3: R d i t Di ht (5%) i V l i h k ti ll Stähl

00 10 20 30 40 [%] 60 Dehnung

SZM

F, E

SA

F, F

oliReduzierte Dichte (5%) im Vergleich zu konventionellen Stählen

durch hohen Al- und Si-Gehalt





®






Erstarrungs-


Erstarrungsrichtung


Restschmelze

ie 1

8, W

erks

toffw

oche


SZM

F, E

SA

F, F

oli


Wahl des entsprechenden Schweißzusatzp

Werkstoffe

HSD600®HX340

Blechdicke

WEZ – Ferrit Bainit

Blechdicke

Fügetechnologie

t = 1,5mm


Prüfverfahren

Metallschutzgas-schweißen

Zusatz: 1.4370

SG – BainitMANNESMANNFORSCHUNG

Prüfverfahren

Vickershärte HV 0,5

Schweißparameter

ie 1

9, W

erks

toffw

oche

Schweißstrom 97 A

Spannung 16,7 V

Schweißgeschw. 0,5 m/min

Z t 1 4370 3 6 / i

WEZ - Austenit

SZM

F, E

SA

F, F

oliZusatz: 1.4370 3,6 m/min

Gas: Argon 10 l/min

Spalt 0,6 mm





®






Erstarrungs-


Erstarrungsrichtung


Restschmelze

ie 2

0, W

erks

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oche

Lösung: - Einsatz von ausgewählten Schweißzusätzen zur Erzeugung eines kontinuierlichen Überganges


SZM

F, E

SA

F, F

olikontinuierlichen Überganges

- Konstruktive Berücksichtigung der Schrumpfungsbedingungen


Stahl-Aluminium-Schweißen

Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen MetallenMetalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten

- FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos


Q ll t l i

MANNESMANNFORSCHUNG

Quelle: voestalpine Quelle: voestalpine

ie 2

1, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Stahl-Aluminium-Schweißen

Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen MetallenMetalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten

- FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos


Q ll t l i

MANNESMANNFORSCHUNG

Quelle: voestalpine

Lösung: - Nutzung einer Kombination aus Löten und Schweißen- Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie

Quelle: voestalpine

ie 2

2, W

erks

toffw

oche

- Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Quelle: Fronius


Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix

Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten im Werkstoffmix

Behinderte Längenausdehnungα1 > α2

Freie Längenausdehnungα1 > α2

E1/ α1T = T1

α1 > α2

E2/ α2

α1 > α2


T = T2

2 2MANNESMANNFORSCHUNG

T = T3Temperaturverlauf im Bauteil währendKlebstoffaushärtung (schematisch,

z B nach EFB-Forschungsbericht Nr 180)

Gelpunkt

ie 2

3, W

erks

toffw

oche

z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180)

SZM

F, E

SA

F, F

oli


Bestimmung des Verformungsverhaltens

Auswertung der Fugen- und Probengesamtverformung

Verformungen durch das Setzen der Fügeelemente

2,53

3,5

G t fF f

Verformungen durch Klebstoffaushärtung;[m

m]

0 51

1,52 GesamtverformungFugenverformung

SALZGITTERMANNESMANN Klebstoffaushärtung; 180 °C, 30 min

1 2 3 4 5 6

rfor

mun

g

-1-0,5

00,5 MANNESMANN

FORSCHUNG

Ver

-2,5-2

-1,51

resultierendeVerformung

ie 2

4, W

erks

toffw

oche

Niet

50-3,5

-3

SZM

F, E

SA

F, F

oli

Die nietsetzprozess- und klebstoffaushärtungsbedingten Verformungen werden zur Probengesamtverformung kumuliert


Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix

Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten im Werkstoffmix

Behinderte Längenausdehnungα1 > α2

Freie Längenausdehnungα1 > α2

E1/ α1T = T1

α1 > α2

E2/ α2

α1 > α2


T = T2

2 2MANNESMANNFORSCHUNG

T = T3Temperaturverlauf im Bauteil währendKlebstoffaushärtung (schematisch,

z B nach EFB-Forschungsbericht Nr 180)

Gelpunkt

ie 2

5, W

erks

toffw

oche

z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180)

Lösung: Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung

SZM

F, E

SA

F, F

oliLösung: - Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung

- Integration der thermischen Gegebenheiten in Auslegung


Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesiumg y g

Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur- Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen

Beispiel StirnwandKontakt, der zu Korrosion führt.


ie 2

6, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Herstellung Magnesiumbauteilg g

Umformung bei 200°C Beschnitt

Pulver-lackierung

Anbringen v. Funktions-elementeng elementen


ie 2

7, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesiumg y g

Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur- Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen

Beispiel StirnwandKontakt, der zu Korrosion führt.

St-Querträger Sti d i

St-Querträger Stirnwand aussen


Mg Stirnwand

Stirnwand innen

Lochung fürKunststoff-Spreizniet

MANNESMANNFORSCHUNG

Mg-Stirnwand

ie 2

8, W

erks

toffw

oche

Lösung: - Verlagerung des Fügeprozess in Montage- Nutzung von Kunststoffnieten als

unterstützende Fügetechnik

SZM

F, E

SA

F, F

oliunterstützende Fügetechnik

Kunststoffspreizniet


Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoffg y

Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie- Schlechte Klebeignung FVK-Oberflächen- Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess

FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung


ie 2

9, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Umsetzung neuer Nietgeometrie

Werkstoffe

CF-PA 66 Gewebe (2,0 mm)

g g

HC 340 LAD (1,5 mm)

Maschinenparameter

Fügegeschwindigkeit: g g gv = 45 mm/s

Prägekraft: F = 30 kNSALZGITTER

MANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG

Niederhalter

ie 3

0, W

erks

toffw

oche

Vorspannkraft: 3 kN

Abmessung (D x d): 12 x 6

Matrize

SZM

F, E

SA

F, F

oliMatrize

4,2 / 6,0 / 0,8 / 0,3x59° FaseStützring 0,3x16

Vorwettberbliche F&E finanziert durch:


Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoffg y

Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie- Schlechte Klebeignung FVK-oberflächen- Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess

FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung


2500

3000

3500

4000

egin

ning

[N]

AC 600 PX T6%

ie 3

1, W

erks

toffw

oche

Lösung: - Nutzung Haftvermittler- Verwendung des Reservoirniet

Modifikation der Fügewerkzeuge 0500

1000

1500

2000

Forc

e at

Failu

reBe AC-600 PX T6

HC340LA

HC340LA mod.

+69

%

+25

%

SZM

F, E

SA

F, F

oli- Modifikation der Fügewerkzeuge 0 CF-PA 66 0° CF-EP 0°


Fazit

Mischbauweise mit dem richtigem Werkstoff am richtigen Platz wird hzunehmen.

Schlüssel zur Ausnutzung der Werkstoffe ist die Fügetechnik.

Herausforderung für die Fügetechnik sind:

Machbarkeit SALZGITTERMANNESMANNTragfähigkeit

Unterschiedliche Wärmeausdehnung

MANNESMANNFORSCHUNG

Korrosion

Großserientauglichkeit

ie 3

2, W

erks

toffw

oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i


Der Glaube an die Unmöglichkeitg


Der Glaube an die Unmöglichkeit des Vorhabens

ie 3

3, W

erks

toffw

oche

schützt die Berge zuverlässig davor,versetzt zu werden.

SZM

F, E

SA

F, F

oli

33

… wir versuchen es trotzdem.


Was auch immer Sie vorhaben …


ie 3

4, W

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oche

S

ZMF,

ES

AF,

Fol

i

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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