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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
Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH 3
[VW]
Voraussetzung ist ein massentauglichesFügekonzept
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauDas Zweistoffsystem Eisen-Aluminium
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Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauBildung intermetallischer Phasen
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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
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[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
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Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauFügetechnologie als Schlüsselkompetenz
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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
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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
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• 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
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nach [Leuschen][Neudel]
Besonderheit: Wärme muss exakt geführt werden, Phasenbildung ist Voraussetzung
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauPuffern
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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
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• 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
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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
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Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißen
USERP - USIRSW
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauKombinierter Schweißprozess
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Al-Blech
Schweiß-einlage
kalter Schweißprozess heißer Schweißprozess
Schweiß-einlage
Al-Blech
St-Blech
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauKombinierter Schweißprozess
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Schälversuch HC420LAD+Z Scherzugversuch- 22MnB5+AS
Einlage auf AW-5754
Einlage
AW-5754
AW-5754
HC420LAD+Z
Ultraschall-Schweißen:
Widerstandspunktschweißen:
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauFestigkeiten
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Scherzugversuch T-Zugversuch
Festigkeiten - Duktilität
F
F F
F
F
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauSchliffbild
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AW-6016
22MnB5
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauMessgrößen beim Punktschweißen
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[DVS 2916-4]
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauSchliffbild
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AW-6016
22MnB5
Schlüsseltechnologie zum KarosseriemischbauMessgrößen beim USERP
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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
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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
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Ultraschall-Widerstandspunktschweißen von Aluminium-Stahl-Blechverbindungen Untersuchungen zur Charakterisierung und zur Bestimmung des Eigenschaftsprofils
Forschungsprojekt:
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit