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Die Fügetechnik als Schlüsseltechnologie für den Karosseriemischbau

AfT-Tagung, 12.05.2014

Dipl.-Ing. (FH) Tobias Broda

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauDie „Gewichtsspirale“ am Beispiel der Kompaktklasse

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH 2

Bilder: motortalk.de

[VW]

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauVon der EU-Verordnung zum Trend

2008: EU-Rat und -Parlament verabschieden „Die EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen“•Durchschnittlicher CO2-Ausstoß auf 95 g/km bis 2020

Trend:•Substitution von Stahlblechen durch Aluminiumbleche•Sicherheitsrelevante und tragende Elemente aus (höchstfestem) Stahl•Stahl und Aluminium müssen gefügt werden Fügetechnik als Schlüsseltechnologie zum Karosseriemischbau

•Mischbau bisher vorrangig bei kleinen Serien und Sonderanwendungen– Anlagentechnik aufwendig und wenig flexibel

•Im Großserieneinsatz dominieren Stähle– Anlagentechnik: Widerstandsschweißen


[VW]

Voraussetzung ist ein massentauglichesFügekonzept

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauDas Zweistoffsystem Eisen-Aluminium


Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauBildung intermetallischer Phasen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH (alle Rechte vorbehalten) 5

Elektronenstrahlschweißnaht Detail

• Mechanische Fügeelemente zur Verbindung von Aluminiumblechen• Übertragen der Technologie auf Mischverbindungen• Neue mechanisch-stoffschlüssige Verfahren

• Probleme: u.a. elektrochemische Korrosion, Aufbau der Fügeelemente, Randbedingungen

Kombiniertes Ultraschall-WiderstandsschweißenFügetechnologie als Schlüsselkompetenz


[VW]

Kleben

Vollstanznieten

Vollnieten

Halbhohlnieten

ReibnagelRivtac

Schrauben

CMT, Laserlöten, Hybridprozesse

Reibverbinder

WES

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauInnoJoin

Resistance welding with process tape

Friction element welding

Resistance Element welding

Friction spot welding

Advanced thermal joining technologies for joining

dissimilar materials

Friction stir

welding

Electromagnetic pulse welding

Laser beam welding

Arc element welding


Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauFügetechnologie als Schlüsselkompetenz


Stahl-WEZ

Elektrodeneindruck

HC420LAD+Z

5754

St/Al-Phase

5754-Schmelze

CuAl-Phasen

HC420LAD+Z

Widerstandsschweißen führt zu St/Al-Phasensaum (Fügebereich)und CuAl-Sprödphasen (Elektrodeneindruck)

EN AW 5754

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauFügetechnologie als Schlüsselkompetenz


Widerstandsschweißen von 22MnB5 mit AlSi-Beschichtung führt zu sprödem Versagen auf Grund der Beschichtung Stahl-Oberfläche schränkt Schweißmöglichkeit ein

22MnB5+AS

FeAlSi

5754

FeAlSi

EN AW-5754

22MnB5+AS

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauAnforderungen an den Fügeprozess

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH10

• Stoffschlüssiges St-Al-Fügeverfahren• Kein Aufbau der Fügeelemente• Nutzung vorhandener Anlagentechnik• Verarbeitung höchstfester Stähle mit AS-Beschichtung• Umgehen/Vermeiden von Sprödphasenmotortalk.de

Universell nutzbarer Schweißprozess

HC420LA + AlMg3 22MnB5 + AlMg3

Fügeprozess

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauDirektes Widerstandspunktschweißen


nach [Leuschen][Neudel]

Besonderheit: Wärme muss exakt geführt werden, Phasenbildung ist Voraussetzung

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauPuffern


Pufferlage:• Zwischenlage, die mehrere

Aufgaben erfüllen kann, u.a.:• intermetallische Phasen vermeiden• Ausgleich unterschiedlicher

Schmelztemperaturen• Ausgleich unterschiedlicher

Ausdehnungskoeffizienten• Verringerung von Eigenspannungen

im Übergangsbereich

Stahl Zinkschicht(Tauchbad)

AlSi12(WIG)

AlSi5(MIG/WIG)

Aluminium

Nach [Pohle]

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauBimetallische Zwischenschichten


• Durch Walzplattieren werden TM-Bleche (TM = Transition Materials -Verbundmaterialien) hergestellt

• Beim Widerstandsschweißen werden zeitgleich zwei Schweißlinsen erzeugt

• Große Blechspalte entsprechend TM-Dicke

[Leuschen]

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauUltraschall-Lotapplikation


punktförmigeLotapplikationvon L-AlSi12(9 x 6 mm²)auf Blech DC01

Mikroschliff - WiderstandslötenDC01 + L-AlSi12 + Al99,5

DC01

L-AlSi12

Al99,5

Zweistufiger Prozess:•Ultraschall-Lotapplikation „kalter“Fügeprozess; Loteigenschaften bleiben erhalten•Widerstandslöten: Wärmeführung zum Aufschmelzen des Lots

Schlüsseltechnologie zum Karosseriemischbauneuer Ansatz


Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißen

USERP - USIRSW

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauKombinierter Schweißprozess


Al-Blech

Schweiß-einlage

kalter Schweißprozess heißer Schweißprozess

Schweiß-einlage

Al-Blech

St-Blech

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauKombinierter Schweißprozess

17

Schälversuch HC420LAD+Z Scherzugversuch- 22MnB5+AS

Einlage auf AW-5754

Einlage

AW-5754

AW-5754

HC420LAD+Z

Ultraschall-Schweißen:

Widerstandspunktschweißen:

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauFestigkeiten


Scherzugversuch T-Zugversuch

Festigkeiten - Duktilität

F

F F

F

F

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauSchliffbild


AW-6016

22MnB5

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauMessgrößen beim Punktschweißen


[DVS 2916-4]

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauSchliffbild


AW-6016

22MnB5

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauMessgrößen beim USERP


g

dfw

dn

dnitr

pi

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauZusammenfassung

• Langfristig werden Aluminiumbleche Stahlbleche in vielen Bereichen ersetzen• Ein (klein-) serientauglicher Fügeprozess im Mischbau ist bisher nur über mechanische

Fügeelemente realisiert• Stoffschlüssige Verfahren scheitern an der Sprödphasenbildung bzw. an Blechoberflächen• Die etablierte Anlagentechnik in der Großserie ist Widerstandsschweißen• Ein neues Verfahren ist das Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißen


CHANCEN• Sprödphasenfreies Fügen• Kein Aufbau der Fügeelemente• Etablierte Anlagentechnik nutzbar• Kurze Prozesszeiten

RISIKEN• Ultraschallschweißen als neues

Fügeverfahren im Blechbereich• Fügeelementgeometrie• Beeinflussung der Schweißprozesse

Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauEnde


Ultraschall-Widerstandspunktschweißen von Aluminium-Stahl-Blechverbindungen Untersuchungen zur Charakterisierung und zur Bestimmung des Eigenschaftsprofils

Forschungsprojekt:

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

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