Untersuchungen zum Einfluss des Oberflächen- und Werkstoffzustandes auf die Widerstandspunktschweißbarkeit partiell formgehärteter Bauteile (AiF/IGF-Nr.: 18.939 B)

Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Untersuchungen zum Einfluss des Oberflächen- und Werkstoffzustandes auf die Widerstandspunktschweißbarkeit formgehärteter Bleche" (IGF-Nr.: 18.939B/DVS-Nr.: 04.060) wurde der Einfluss der Oberflächenschichten von Zn- und Al-Si-beschichteten Bauteilen aus 22MnB5 ermittelt. Speziell der Wärmebehandlungszustand und damit die Variationen der Schicht- und Werkstoffzustände auf die Widerstandspunktschweißbarkeit gehärteter Bauteile wurde untersucht, um den Prozess des partiellen Formhärtens durch den Eingriff in den Ofenprozess nachzubilden.

Für Zn-beschichtete Werkstoffe eignet sich die Messung der Übergangswiderstände beschrieben in DVS 2935-3. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Übergangswiderstand und der Größe des Schweißbereiches. Im Fall von Al-Si-beschichteten Proben konnte keine Korrelation zwischen dem gemessenen Übergangswiderstand und Größe oder Lage des Schweißbereiches festgestellt werden. Die Anwendung der Übergangswiderstände zur Abschätzung der Schweißeignung nach DVS 2935-3 wird für Al-Si beschichtete pressgehärtete Bleche nicht empfohlen. Ebenfalls wurde keine Korrelation zwischen der Farbe der Oberflächenschichten nach dem Presshärten und der Schweißeignung des Werkstoffes festgestellt.
Die Schweißeignung von Al-Si beschichteten partiell gehärteten Bauteilen konnte mit der Schichtentwicklung korreliert werden. Aus den umfangreichen metallographischen Untersuchungen und deren Abgleich mit der Literatur und eigenen Untersuchungen zur Ermittlung der Schweißbereiche in Anlehnung an SEP 1220-2 wurde ein Kriterium zur Abschätzung der Schweißeignung alternativ zu den Widerstandsmessungen entwickelt. Abbildung 1 zeigt eine Korrelation zwischen dem Anteil intermetallischer Phasen in der Schicht (S_BCE) und Schweißeignung der Zweiblechverbindungen.

Aus dem Abgleich zwischen REM/EDX und lichtmikroskopischen Aufnahmen sowie basierend auf Ergebnissen aus der Literatur wurde eine Vorlage zur Identifikation einzelner Bereiche der Al-Si-Schichten aufgezeigt, die eine Ermittlung des vorgeschlagenen Kriteriums S_BCE anhand der lichtmikroskopischen Untersuchungen erlaubt und somit die industrielle Nutzung dieses Kriteriums ohne Notwendigkeit der ressourcenintensiven REM-Untersuchungen, was vor allem für KMUs vom großen Vorteil ist.

Umfangreiche Untersuchungen der Festigkeit von Schweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsarten und Richtungen wurden ebenfalls durchgeführt. Zum Nachweis der Auswirkungen des schweißbedingten Wärmeeintrags auf die Eigenschaften des Grundmaterials wurde eine spezielle Zugprobe mit Opferblech entwickelt. Hier zeigte sich ein zunehmender Einfluss des Wärmeeintrags auf die mechanischen Verbindungseigenschaften.
Bei Belastung der Schweißverbindung auf Kopf- und Scherzug konnte der beobachtete Abfall der mechanischen Eigenschaften mit einer stärkeren Ausprägung der Erweichungszone an der Schmelzlinie korreliert werden.

Insgesamt wurden im Rahmen des Forschungsprojektes über 5500 Schweißverbindungen gefertigt und geprüft. Die im Schweißprozess gemessenen Verläufe von Schweißstrom, Schweißspannung, Elektrodenkraft und Elektrodenweg wurden durchgängig dokumentiert und fließen in eine Datenbank für weitere Auswertungen ein. Dies ermöglicht die Nutzung dieser Daten für eine simulative Abbildung von Schweißprozessen an Blechen mit verschiedenen Werkstoff- und Schichtzuständen.

"Für die wertvollen Ergebnisse in dem Forschungsvorhaben möchte ich mich ausdrücklich bei den Projektbearbeitern bedanken. Die gewonnenen Erkenntnisse erleichtern es uns als Hersteller von Buckelschweißlösungen zukünftig wesentlich, Probleme der Schweißbarkeit mit unseren Kunden zu diskutieren. Die Projektbearbeiter haben in eindrucksvoller Weise die Ursachen der unterschiedlichen Schweißbarkeit von AlSi-beschichteten Bauteilen ermittelt. So wird es auch möglich sein, auf exakte Parameter beim Härten der Bauteile zu lenken."
Dr. Hans-Jürgen Rusch, Kapkon GmbH

"Durch das Forschungsvorhaben konnten wir unsere Erfahrungen zum Widerstandspunktschweißprozess von pressgehärteten Stählen mit AlSi- und Zn-Beschichtung zum einen wissenschaftlich festigen, sowie neue Erkenntnisse über Schweißverhalten bei unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen gewinnen. Ein typischer Anwendungsfall sind z.B. Tailored Blank Bauteilen mit Patcheinsatz, die stets veränderte Blechstärken über die Bauteillänge aufweisen. Anhand der Forschungsergebnisse können die Grenzen für den phs-Ofenprozess für diese Art von Bauteilen noch gezielter definiert und mit den verifizierten Grundparametern für das Widerstandspunktschweißen auf signifikante Veränderungen der Werkstoffeigenschaften direkt reagiert werden."

Jörg Maier, voestalpine Automotive Components Schwäbisch Gmünd GmbH & Co. KG

" Der Forschungsbericht kann auf Anfrage bereitgestellt werden"