Laserstrahlschweißen ultrahochfester Stähle

Generierung und Validierung von Materialkennwerten in Wärmeeinflusszonen (WEZ) für eine geschlossene Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation der Fügetechnik bis zur Belastungssimulation

IGF-Nr. 19449 N

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. FOSTA
Sohnstraße 65
D-40237 Düsseldorf
Telefon: +49 211 6707-856
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Förderhinweis:

Das IGF-Vorhaben „Laserstrahlschweißen der ultrahochfesten Stähle 22MnB5 und DP1000 – Generierung und Validierung von Materialkennwerten in Wärmeeinflusszonen (WEZ) für eine geschlossene Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation der Fügetechnik bis zur Belastungssimulation“, IGF-Projekt Nr. 19449N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Vorhabensbeschreibung:

Das Ziel des Projektes ist es, die Schließung der Simulationskette von Laserschweißverbindungen ultrahochfester Stähle (UHSS) von der Temperaturfeldsimulation der Fügetechnik bis zur Belastungssimulation zu ermöglichen. Es soll ein vertieftes Verständnis der schweißprozessbedingten, temperaturverlaufsabhängigen Veränderungen der Materialeigenschaften in der Wärmeeinflusszone (WEZ) gewonnen werden. Dieses soll anschließend in Simulationsansätze überführt werden.

Dazu werden Materialproben erzeugt, in denen die beim Laserstrahlschweißen auftretenden Temperaturverläufe in den verschiedenen WEZ-Bereichen nachgebildet werden. Anschließend werden die mechanischen Materialeigenschaften dieser Bereiche ermittelt und für die Belastungssimulation mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) in Modellen implementiert. Basierend darauf und auf Belastungsversuchen auf Coupon- und Komponenten-Level wird ein Simulationsansatz für die gesamte Fügestelle erarbeitet. Durch die folgende schrittweise Vereinfachung der Modellierung wird der notwendige Detaillevel für den Einsatz in der Gesamtfahrzeugsimulation ermittelt und an einem Bauteilkonzept umgesetzt.

Angestrebte Ergebnisse sind die Korrelation von Aufheizgeschwindigkeit und Umwandlungstemperaturen sowie die Bestimmung deren Einflusses auf die Gefügeausbildung. Zudem sollen temperaturverlaufsabhängige Materialeigenschaften der WEZ analysiert und der nötige Detaillierungsgrad der Fügezone im FEM-Modell ermittelt werden, um eine möglichst gute Vorhersagegüte für das Verhalten und Versagen der Fügezone in Gesamtfahrzeug-Crashsimulationen zu erreichen.

Die Ergebnisse können kurzfristig in FEM-Modellen implementiert und wirtschaftlich genutzt werden. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Simulationsbranche können so ihr Portfolio um einen wertvollen Arbeitsbereich erweitern. KMU als Hersteller und Verarbeiter von UHSS-Komponenten können durch die bessere Vorhersage des Belastungsverhaltens neue Leichtbaupotentiale erschließen und die Kosten für aufwändige Versuche und Prototypen senken. Des Weiteren wird werkstofftechnischen KMU ermöglicht, eine Methodik zu adaptieren, die ein neues Feld zur Werkstoffdatengenerierung eröffnet.

Zusammenfassung der Projektergebnisse:

Mithilfe von umfangreichen experimentellen Untersuchungen an geschweißten und angelassenen Proben aus den Materialien 22MnB5 und HCT980X wurde eine Datenbasis geschaffen. In verschiedenen Versuchsreihen wurden Prozessparameter zur Erzeugung von Schweißverbindungen bei verschiedenen Laserfokusdurchmessern erarbeitet. Auf Basis von Temperatur- und Härteverlaufsmessungen konnten an geschweißten Proben unterschiedliche Gefügebereiche identifiziert werden. Somit konnte eine detaillierte Unterteilung in verschiedene Zonen von der Schweißnahtmitte bis hin zum unbeeinflussten Grundwerkstoff vorgenommen werden. Eine Korrelation von durchlaufener Temperaturhistorie, resultierender Werkstoffhärte und sich einstellendem Gefüge wurde erkannt. Verschiedene Gefügezustände entsprechend der Wärmeeinflusszonengefüge wurden mit einer modifizierten Punktschweißanlage durch konduktives Anlassen auf Zugprobenebene nachgebildet. Um eine Analyse des entstehenden Gefüges zu erhalten, wurden in einem Dilatometer ein ZTU Diagramm erstellt. Somit konnten die entstehenden Gefüge in den verschiedenen Bereichen der WEZ bis hin zu Grundwerkstoff identifiziert werden.
Damit wurde eine Datenbank für das Werkstoffverhalten unterschiedlicher Gefüge erstellt und in Materialkarten für die Belastungssimulation mit Hilfe der FEM überführt. Eine im Rahmen des Projektes entwickelte Skalierungsmethodik erlaubt die Interpolation von Materialkarten für verschiedene Härtewerte und ermöglicht somit eine automatisierte Anpassung des Materialverhaltens an lokale Härtewerte. Mit dieser Methodik konnte das Deformations- und Versagensverhalten von geschweißten Proben in detaillierten Belastungssimulationen wiedergegeben werden. Durch Nutzung dieser Methodik wird die Schließung der Simulationskette von der Temperaturfeldsimulation zur Belastungssimulation ermöglicht, indem generierte Härteverteilungen der Fügetechniksimulation auf Modelle der Belastungssimulation übertragen werden. Diese Simulationskette wurde aufbauend auf den hier vorliegenden Projektergebnissen bereits durch ein KMU des projektbegleitenden Ausschusses vollzogen und unterstreicht die industrielle Relevanz des Forschungsvorhabens.
Zudem konnte mit einer Ersatzmodellierung unter Einbeziehung der WEZ-Eigenschaften das Fügestellenverhalten auf Komponentenebene und im Rahmen von Gesamtfahrzeugsimulationen dargestellt werden.
In weiterführenden Forschungsarbeiten sollte die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Fertigungsverfahren wie alternative Schweißprozesse oder das Anlassen untersucht werden. Auf den Projektergebnissen aufbauende Untersuchungen hinsichtlich der Übertragbarkeit des Fügestellenverhaltens auf weitere Werkstoffklassen sind hinsichtlich umfassenderer Einsatzmöglichkeiten ebenfalls sinnvoll.

Eine detaillierte Zusammenstellung der Projektergebnisse kann dem zugehörigen Abschlussbericht entnommen werden, welcher über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) bezogen werden kann.