Die im Automobilbau eingesetzten Multi-Materialbauweisen, welche eine Aluminium-Außenhaut mit pressgehärteten Stahlprofil-Strukturen kombinieren, stellen hohe Anforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Etablierte einseitige mechanische Fügeverfahren sind aufgrund der hohen Werkstofffestigkeit des Stahlfügepartners nicht einsetzbar. Eine sehr gute Eignung bei bisher zweiseitiger Zugänglichkeit besitzt das Nietpunktschweißen.
In dieser Arbeit wird das Nietpunktschweißen zu einer einseitigen Verfahrensvariante weiterentwickelt und so eine Fügetechnologie zum prozesssicheren Verbinden artverschiedener Werkstoffe unter einseitiger Zugänglichkeit geschaffen. Dazu werden zunächst Anforderungen an das einseitige Nietpunktschweißen identifiziert. Durch die Analyse der Verbindungsentstehung wird die Beschreibung zugrundeliegender Ursache-Wirkungs-Mechanismen ermöglicht. Anschließend wird der Einfluss der einseitigen Prozessführung auf die Verbindungsausbildung in Abhängigkeit der Prozessgrößen bewertet. Im nächsten Schritt wird die Prozessführung unter Berücksichtigung der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften optimiert. Es werden angepasste Prozessfenster für unterschiedliche Stahlwerkstoffe sowie Beschichtungen abgeleitet. Nachfolgend wird die Prozessfähigkeit unter Einwirkung von produktionsrelevanten Störgrößen abgesichert. Die entwickelte Fügetechnologie wird abschließend auf ein realitätsnahes Demonstratorbauteil übertragen und so der Nachweis zur Funktionstauglichkeit erbracht.
Aktualisiert: 2023-01-18
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Beeinflussung des Schmelzbades beim Laserstrahlschweißen durch Ultraschall und
daraus resultierende Schweißgut- und Gefügeausbildung
Die mechanischen und korrosiven Eigenschaften von Schweißnähten werden grundlegend vom Gefüge beeinflusst. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur Beeinflussung des Gefüges im Schweißgut durch die Einbringung von Ultraschallschwingungen in das Schmelzbad beim Laserstrahltiefschweißen mit Einschweißtiefen von bis zu 15 mm untersucht. Der Einfluss von Amplitude und Position der Fügestelle im Schwingungsverlauf werden untersucht. Die Experimente werden mit Blindnähten und im Stumpfstoß an verschiedenen Stahlgüten und einer Aluminiumlegierung sowie einer Mischverbindung aus einem Stahl und einer Aluminiumlegierung durchgeführt. Anhand von Sichtprüfung und metallographischen Analysen werden Schweißnahtqualität, geometrische Ausprägungen und das Mikrogefüge bewertet. Ein Vergleich der Effekte der Ultraschallanregung auf die verschiedenen Werkstoffe bringt Erkenntnisse über die Zusammenhänge der Auswirkungen mit den Charakteristika der Schmelzen und der erstarrten Werkstoffe.
Aktualisiert: 2022-11-25
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Beeinflussung des Schmelzbades beim Laserstrahlschweißen durch Ultraschall und
daraus resultierende Schweißgut- und Gefügeausbildung
Die mechanischen und korrosiven Eigenschaften von Schweißnähten werden grundlegend vom Gefüge beeinflusst. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur Beeinflussung des Gefüges im Schweißgut durch die Einbringung von Ultraschallschwingungen in das Schmelzbad beim Laserstrahltiefschweißen mit Einschweißtiefen von bis zu 15 mm untersucht. Der Einfluss von Amplitude und Position der Fügestelle im Schwingungsverlauf werden untersucht. Die Experimente werden mit Blindnähten und im Stumpfstoß an verschiedenen Stahlgüten und einer Aluminiumlegierung sowie einer Mischverbindung aus einem Stahl und einer Aluminiumlegierung durchgeführt. Anhand von Sichtprüfung und metallographischen Analysen werden Schweißnahtqualität, geometrische Ausprägungen und das Mikrogefüge bewertet. Ein Vergleich der Effekte der Ultraschallanregung auf die verschiedenen Werkstoffe bringt Erkenntnisse über die Zusammenhänge der Auswirkungen mit den Charakteristika der Schmelzen und der erstarrten Werkstoffe.
Aktualisiert: 2023-01-18
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Leichtbaukonstruktionen stellen für den Schiffbau einen guten Ansatz dar, mit dem der CO -Ausstoß 2 durch einen reduzierten Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. Im Schiffbau kommen Werkstoffkombinationen aus Stahl und Aluminiumlegierungen zum Einsatz, welche mittels eines zeit- und kostenintensiven explosionsgeschweißten Adapterstückes gefügt werden. Eine gute Alternative ist aufgrund der geringen Wärmebelastung und des kontrollierten Aufschmelzens zur Reduzierung der intermetallischen Phasen das Laserstrahlschweißen. In dieser Arbeit wird ein grundlegendes Prozessverständnis zum Laserstrahlschweißen von dickwandigen Mischverbindungen bzgl. Prozessstabilität, Unregelmäßigkeiten, Festigkeit etc. unter Berücksichtigung von Prozessparametern aufgebaut. Es werden Prozessparameterfelder aufgestellt, in denen die Herstellung von relativ qualitativ hochwertigen Verbindungen und damit auch von laserstrahlgeschweißten Adaptern möglich ist. Sämtliche Erkenntnisse fließen in ein Prozessmodell, welches eine Aussage über die zu erwartende Schweißnahtqualität qualitativ ermöglicht.
Aktualisiert: 2021-02-03
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Leichtbaukonstruktionen stellen für den Schiffbau einen guten Ansatz dar, mit dem der CO -Ausstoß 2 durch einen reduzierten Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. Im Schiffbau kommen Werkstoffkombinationen aus Stahl und Aluminiumlegierungen zum Einsatz, welche mittels eines zeit- und kostenintensiven explosionsgeschweißten Adapterstückes gefügt werden. Eine gute Alternative ist aufgrund der geringen Wärmebelastung und des kontrollierten Aufschmelzens zur Reduzierung der intermetallischen Phasen das Laserstrahlschweißen. In dieser Arbeit wird ein grundlegendes Prozessverständnis zum Laserstrahlschweißen von dickwandigen Mischverbindungen bzgl. Prozessstabilität, Unregelmäßigkeiten, Festigkeit etc. unter Berücksichtigung von Prozessparametern aufgebaut. Es werden Prozessparameterfelder aufgestellt, in denen die Herstellung von relativ qualitativ hochwertigen Verbindungen und damit auch von laserstrahlgeschweißten Adaptern möglich ist. Sämtliche Erkenntnisse fließen in ein Prozessmodell, welches eine Aussage über die zu erwartende Schweißnahtqualität qualitativ ermöglicht.
Aktualisiert: 2021-07-22
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Der heutige Fahrzeugbau ist vor allem durch sehr divergente Anforderungen an die eingesetzten Materialien und Technologien geprägt. Neben der Insassensicherheit als übergeordnete Prämisse spielen gewichtsoptimierte Strukturen, Fahrkomfort und kostengünstige Prozesse eine maßgebliche Rolle.
Der Einsatz von Werkstoffen mit immer höheren Festigkeiten erlaubt eine deutliche Reduzierung der Bauteilblechdicken, so dass den wachsenden Anforderungen Rechnung getragen werden kann. FeMn-Stähle bieten an dieser Stelle ein besonderes Eigenschaftsprofil für den Automobilbau. Sie vereinen sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch Bruchdehnung. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich hoch manganhaltige Stähle vor allem für Bereiche, in denen im Crashfall hohe Energiebeträge durch plastische Verformung absorbiert werden müssen.
Neben den Potentialen dieser Stähle stellt jedoch die fertigungstechnische Integration eine sehr große Herausforderung dar. Die ganzheitliche Betrachtung der Wertschöpfungskette zeigt, dass vor allem auf dem Gebiet der thermischen Fügetechnik kaum Erkenntnisse zu stoffschlüssigen Verbindungen mit anderen Stahlgüten (Stahl-Mischverbindungen) vorliegen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich folglich mit der Schweißbarkeit von FeMn-Stählen in Austenit-Ferrit-Verbindungen und leistet damit einen Beitrag zum anforderungsgerechten Einsatz dieser Werkstoffgruppe in der automobilen Serienproduktion. In diesem Zusammenhang werden in erster Linie die stattfindenden mikrostrukturellen Mechanismen im resultierenden Schweißgut dargestellt und erläutert. Ferner werden Verarbeitungshinweise abgeleitet, welche vor allem für das Widerstandspunktschweißen, dem vorherrschenden Fügeverfahren im Karosseriebau, von großer Bedeutung sind.
Aktualisiert: 2021-03-18
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Die Herstellung stoffschlüssiger Mischverbindungen aus Aluminium- und Kupferwerkstoffen stellt eine herausfordernde Fügeaufgabe dar. Unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften der Grundwerkstoffe erschweren das Fügen mittels Schmelzschweißen. Hier rücken sogenannte Festphase-Fügeverfahren, zu denen auch das Rührreibschweißen zählt, in den Fokus. Eine Betrachtung dieses Verfahrens und der realisierbaren Verbindungseigenschaften unter automobilspezifischen Gesichtspunkten steht hingegen noch aus, sodass das Verfahren derzeit noch keine Serienanwendung zur Herstellung elektrischer Kontakte aus Aluminium und Kupfer findet. Daher soll mit der vorliegenden Arbeit die Eignung des Rührreibschweißens für die Fertigung von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen, die den Anforderungen für den Einsatz in stromführenden Bauteilen im Rahmen der automobilen Elektromobilität gerecht werden, nachgewiesen werden.
Durch wirtschaftliche Aspekte motiviert wurde mittels einer parametrischen Untersuchung, welche auf die Optimierung mechanischer und elektrischer Verbindungseigenschaften abzielte, eine Maximierung der Schweißgeschwindigkeit angestrebt. Zudem erfolgte aufgrund hoher produktionstechnischer Relevanz die Charakterisierung der Verbindungsbildung beim Fügen von Aluminium mit verzinntem Kupfer. Im nächsten Schritt wurde zur weiteren Gewichtseinsparung die Möglichkeit des Schweißens von Aluminium- und Kupferblechen unterschiedlicher Dicke untersucht, bevor zuletzt die mechanischen und elektrischen Eigenschaften rührreibgeschweißter Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Einsatzbedingungen ermittelt wurden.
Mit den erarbeiteten Erkenntnissen bietet diese Arbeit einen Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsspektrums des Rührreibschweißens für automobile Serienanwendungen.
Aktualisiert: 2020-07-10
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Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung eines Schweißverfahrens zu leisten, bei dem Verbindungen, die bisher mit Schweißzusatzwerkstoff (SZW) geschweißt wurden bzw. die als nicht schweißgeeignet galten, mit anderen Prozessen ohne SZW zu fügen.
Aktualisiert: 2020-06-05
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Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung eines Schweißverfahrens zu leisten, bei dem Verbindungen, die bisher mit Schweißzusatzwerkstoff (SZW) geschweißt wurden bzw. die als nicht schweißgeeignet galten, mit anderen Prozessen ohne SZW zu fügen.
Aktualisiert: 2021-10-19
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Bindungsmechanismen des Magnetimpulsschweißens (MPS). Die Motivation leitet sich aus der enormen Nachfrage zur Herstellung von Mischverbindungen und dem damit einhergehenden Einsatz von kalten Fügeverfahren ab. Trotz der adressierten Potentiale und ersten Entwicklungen in den sechziger Jahren konnte sich das Verfahren in der Industrie bis heute kaum durchsetzen. Die Gründe dafür liegen in den bisherigen Forschungsergebnissen des MPS, welche die grundlegenden Fragestellungen hinsichtlich der Bindungsvorgänge bisher nicht beantworten konnten. Dies betrifft im Speziellen den Einfluss der kinematischen und physikalischen Prozessgrößen auf die Verbindungsbildung und auf die erzielbaren Gebrauchseigenschaften.
Mit den durchgeführten Untersuchungen konnte in Anlehnung an das enorm erforschte Explosionsschweißen (EXS) schließlich ein Beitrag zum Prozessverständnis sowohl beim MPS als auch beim EXS selbst geleistet werden. Die bisherige Herausforderung den Prozess zu beschreiben, führte zu zahlreichen analytischen Modellen beim EXS. So konnte mithilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen eine zielorientierte und systematische Untersuchung eingeleitet werden. Diese ermöglichte, die analytischen Modelle des EXS zu validieren und auf das MPS zu übertragen sowie die Modelle auf Basis empirischer Daten weiterzuentwickeln. Untersucht wurden dabei metallische Materialkombinationen unterschiedlicher Werkstoffgruppen, im speziellen Aluminium, Kupfer- und Stahllegierungen niedriger und höherer Festigkeitsklassen. Die erzielten Ergebnisse bieten nun die Gelegenheit, die Magnetimpulstechnologie für das Schweißen weiterzuentwickeln und sogar schwer schweißbare Materialkombinationen mit optimalen Gebrauchseigenschaften zu realisieren.
Aktualisiert: 2020-12-08
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TWIP-Stähle, auch FeMn-Stähle genannt, besitzen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Sie vereinen eine hohe Festigkeit mit einer hohen Duktilität. Das prädestiniert sie für den Einsatz in blechstärkenreduzierten und komplex umgeformten automobilen Strukturbauteilen. Aufgrund ihrer speziellen Legierungsund Gefügezusammensetzung sowie ihrer thermo-physikalischen Eigenschaften gelten TWIP-Stähle als schwer schweißbar.
Das Laserstrahlschweißen bietet hierbei im Vergleich zu anderen Fügeverfahren jedoch Vorteile. Vor dem Hintergrund werden in dieser Arbeit die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Eigenschaften laserstrahlgeschweißter artgleicher und artfremder TWIP-Verbindungen untersucht. Dafür kommen metallografische und mechanisch-technologische Prüfverfahren zur Anwendung. Anhand der Ergebnisse werden die Prozessgrenzen aufgezeigt, sowie Optimierungsmaßnahmen vorgeschlagen. Durch das neu gewonnene Prozessverständnis wird der Transfer der Erkenntnisse auf Realbauteile, wie zum Beispiel einen Fahrzeugsitz, ermöglicht.
Aktualisiert: 2019-11-07
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In der Arbeit wurde das Widerstandsschweißen/-Löten mit Zusatzwerkstoff für hoch- und höchstfeste Stahlgüten und Stahl-Aluminium-Verbindungen entwickelt. Zur Bestimmung wesentlicher Prozesseinflussgrößen wurde mit Hilfe der Prozesssimulation ein Modell zur Beschreibung der komplexen Vorgänge bei der Bildung der Schweißlinse erarbeitet. Die für die Simulation entwickelten mechanischen, thermischen, metallurgischen und elektrischen Modelle wurden durch Versuche validiert. Ausgehend von dieser zuverlässigen Modellbeschreibung, wurde der Einfluss wesentlicher Prozessgrößen simuliert. Beim Widerstandsschweißen mit Zusatzwerkstoff muss vor dem Schweißprozess das Zusatzmaterial transportsicher auf den Fügeteilen fixiert werden. Aus diesem Grund wurde eine spezielle Widerstandstechnologie zur Applikation des Zusatzwerkstoffes bis zur Serienreife entwickelt. Diese Lösung ist dabei unabhängig von Werkstoffgüten und Oberflächen. Zur Ermittlung des Potentials des Verfahrens wurden spezifische Legierungskonzepte betrachtet. Dabei konnten unter quasistatischer, dynamischer sowie zyklischer Belastung Festigkeitssteigerungen gegenüber dem konventionellen Widerstandspunktschweißen von 100 - 400% erreicht werden. Für den Einsatz des Verfahrens in einer Fahrzeugkonstruktion wurden für den Konstrukteur Richtwerte zur Auslegung erarbeitet und die Anwendbarkeit klassischer sowie neuer zerstörungsfreier Prüfmethoden untersucht. Abschließend wurde der Prozesses für Aluminium-Stahl-Mischverbindungen entwickelt.
Ein wesentlicher Verdienst der Arbeit ist die Erweiterung des Einsatzpotentials der Widerstandsschweißtechnik unter Berücksichtigung stetig steigender Sicherheitsund Leichtbauanforderungen an Fahrzeugkarosserien.
Aktualisiert: 2020-03-16
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Punktförmige Verbindungen, wie das Clinchen, bieten vorteilhafte Eigenschaften und werden in zunehmendem Maße in der Dünnblech verarbeitenden Industrie für metallische Verbindungen eingesetzt. Sie spielen gegenwärtig für Metall-Kunststo?-Verbindungen eine untergeordnete beziehungsweise gar keine Rolle. Dies ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass Kunststo?e aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ungeeignet für das Clinchen scheinen.
In der vorliegenden Dissertation werden die Grundlagen für das Clinchen von Metall-Kunststo?-Verbindungen erarbeitet und quali?ziert, so dass es möglich ist, damit eine Verbindung dieser Werksto?e reproduzierbar herzustellen. Im Speziellen werden Prozessmerkmale und mechanische Verbindungseigenschaften des Clinchens von Metall-Kunststo?-Verbindungen sowie der Feuchtigkeitsein?uss des Kunststo?fügepartners und der Einfluss von Wärme vor und/oder nach dem Fügen untersucht.
Aktualisiert: 2019-12-12
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