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Neues Verbundschmiede-Verfahren für den Leichtbau

Mai 2018 — Stoffschlüssiges Fügen von Aluminium-Massivteilen und Stahlblechen mit Zink erzeugt Teile mit Leichtbau-Potenzial. Das Fügen in einem Schmiedeprozess wird zurzeit in einem Projekt  untersucht. Simulativ wird ermittelt, wie Temperatur, Pressengeschwindigkeit und Geometrie die Fügequalität beeinflußen.

For our English speaking readers:
New composite forging process for lightweight construction
Positive substance jointing of aluminium parts and steel sheet metal with zinc gives rise to parts with potential in lightweight construction. Joining during forging is being explored as part of a project. Simulations are used to reveal how temperature, speed and geometry affect joining quality.

Der automobile Leichtbau setzt zunehmend auf hybride Strukturen aus Stahl und Aluminium. Die Verbindung dieser Werkstoffe erfolgt derzeit vorwiegend durch Formschluss, beispielsweise durch Nieten. Auch Schweißen und Kleben werden zum Fügen der beiden Werkstoffe eingesetzt. Diese Verfahren erfordern jedoch eine Prozessfolge von zwei Schritten: Erst erfolgt die Formgebung der Werkstücke. Anschließend werden die Werkstücke gefügt. Das hybride Verbundschmieden erlaubt ein Fügen der unterschiedlichen Bauteilelemente während der Umformung. Dies verkürzt die Prozesskette. Mithilfe von Zink als Lotwerkstoff werden die Bauteile stoffschlüßig verbunden. Bild 1 zeigt das Ergebnis eines Vorversuchs des Fügens von einem mit Zink beschichteten Aluminium-Massivteil und einem Stahlblech, womit die grundsätzliche Machbarkeit des Prozesses erfolgreich aufgezeigt wurde.
Da beim stoffschlüßigen Verbinden von Stahl und Aluminium spröde intermetallische Phasen entstehen können, soll in dem Forschungsprojekt Zink als Lotwerkstoff verwendet werden. Eine solche Verbindung weist gute mechanische Eigenschaften auf, da das Zinklot die Ausbildung intermetallischen Phasen reduziert. Der neuartige Ansatz im Projekt ist, die eingebrachte Umformenergie für den Fügeprozess zu verwenden. Es wird also keine zusätzliche Wärmequelle im Prozess verwendet. Stahlbleche werden standardmäßig verzinkt, um den Stahlwerkstoff vor Korrosion zu schützen. Das Aluminium-Massivteil muss für das hybride Verbundschmieden an der Fügestelle mit Zink beschichtet werden. Die Beschichtung des Aluminiummassivteils wird vom Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal durchgeführt. Es konnte eine Beschichtung mit einer Dicke von 50 μm bis 150 μm erzeugt werden.

Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) untersucht im Rahmen des Forschungsprojekts die Fügeoperation durch Umformen. Dafür werden zunächst simulativ verschiedene Parameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Verbindung untersucht. Diese sind verschiedene Temperaturen, Pressengeschwindigkeiten sowie die Geometrie des Aluminiumbolzens. Diese Parameter werden betrachtet und variiert, da sie Einfluss auf die Fügezone haben, beispielsweise auf die Temperaturentwicklung in der Fügezone.

Durch erste Fügeversuche wurden Fügeparameter ermittelt, die einen guten Stoffzusammenhalt ermöglichen. Dafür wurden am ISAF Fügeversuche in einem Druckofen durchgeführt. Die Umformgeschwindigkeit lag bei diesen Versuchen bei 5 mm/min bis 18 mm/min und die Fügepartner hatten Temperaturen von 220 °C bis 375 °C. Die Fügestellen der gefügten Hybridteile wurden anschließend mittels Kopfzugversuchen hinsichtlich ihrer Festigkeit untersucht. Die Proben hielten einer Zugkraft von bis zu 2,1 kN stand. 

Simulative Parameterstudie

Die Parameter aus den ersten Fügeversuchen, die mit Proben mit einem Durchmesser von 10 mm durchgeführt wurden, werden aktuell auf einen Schmiedeprozess übertragen. Für die Schmiedeversuche sollen Aluminiumteile mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 70 mm verwendet werden. Für die Simulationen wurden sowohl für das Stahlblech, als auch für den Aluminiumbolzen Temperaturen zwischen 200 °C und 400 °C gewählt. Dieser Temperaturbereich umschließt die Temperaturen der erfolgreichen ersten Fügeversuche.

Ein weiterer Parameter, der untersucht wird, ist die Umformgeschwindigkeit. Diese hat Auswirkungen auf die Temperaturentwicklung in der Fügezone. Simulativ wurden zunächst Umformgeschwindigkeiten von 3 mm/s bis 300 mm/s untersucht. Diese Geschwindigkeiten bilden das Spektrum industrieller Umformgeschwindigkeiten ab.

Durch die Variation der Geometrie des Aluminiumbolzens kann der Umformgrad in der Fügezone beeinflusst werden. Der Umformgrad muss ausreichend groß sein, um ein Aufreißen der Zinkoxidschicht, die sich auf dem Zink bildet, zu ermöglichen. Jedoch darf die Umformung nicht so groß sein, dass die Zinkschicht vollständig abreißt und Aluminium und Stahlblech in direkten Kontakt treten. Erste Untersuchungen ergaben, dass die Form des Aluminiumbolzens wesentliche Auswirkungen auf die Ausprägung des Umformgrads hat. Während bei einem flachen Bolzen die Umformung hauptsächlich im äußeren Bereich der Fügezone auftritt, ist der Umformgrad bei einem Bolzen mit gekrümmter Fläche gleichmäßiger auf der gesamten Fläche verteilt, siehe Bild 2.

Bei Simulationen mit einer flachen Bolzengeometrie ist im Randbereich der Fügezone ein größerer Umformgrad (φ = 0,9 – 1) erkennbar als im Zentrum der Fügezone (φ = 0 – 0,1). Um einen gleichmäßigeren Umformgrad zu erreichen, wurde simulativ untersucht, wie der Umformgrad bei einer gekrümmten Oberfläche ausgeprägt und verteilt ist. In Bild 2 ist der Unterschied des Umformgrads bei einem Bolzen mit einer flachen und einer gekrümmten Oberfläche zu sehen. Es ist erkennbar, dass bei dem flachen Bolzen in großen Bereichen der Fügefläche nur geringe bis keine Umformung erfolgt, während im Randbereich der Fügefläche deutlich höhere Umformgrade zu erkennen sind. Bei der Darstellung des Bolzens mit gekrümmter Oberfläche findet die Umformung in größeren Bereichen der Fügefläche statt und ist gleichmäßiger verteilt als bei dem flachen Bolzen (φ = 0 – 0,5).

Bild 3 zeigt einen Schnitt durch ein gefügtes Hybridbauteil, bei welchem ein flacher mit Zink beschichteter Bolzen auf ein Stahlblech gefügt wurde. Auf dem Bild ist erkennbar, dass die Zinkschickt in der Mitte der Fügezone stärker ausgeprägt ist. Zu den Rändern der Fügezone wird die Zinkschicht dünner. Im Randbereich des Aluminiumbolzens ist die Zinkschicht nicht mehr erkennbar. 

Bei Fügeversuchen mit Bolzen mit gekrümmter Oberfläche kann die gleichmäßigere Verteilung des Umformgrads dazu führen, dass auch die Zinkschicht nach der Umformung gleichmäßiger auf der Fügefläche verteilt ist. Um diese Vermutung zu validieren, werden experimentelle Versuche durchgeführt. Diese erfolgen im Anschluss, sobald die simulativen Untersuchungen abgeschlossen sind.

Ausblick

Als Ergebnis aus den experimentellen Versuchen liegen Hybridteile vor, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften (wie Zugfestigkeit und Scherfestigkeit) untersucht werden. In weiteren Untersuchungen werden die Auswirkungen eines Blechumformprozesses auf die Hybridteile untersucht, siehe Bild 4.  Dies erfolgt zunächst simulativ und anschließend experimentell. Betrachtet werden Spannungen in der Fügezone, Blechausdünnung und die Größe der Verschiebungsvektoren des Materials im Fügebereich. Es werden Erkenntnisse darüber erwartet, welche Auswirkungen der Abstand des Stempels zur Fügezone, der Radius des Ziehrings, der Radius des Stempels sowie die Tiefung auf die Fügezone haben. Die Ergebnisse dienen dazu, Aussagen über die Potenziale und Möglichkeiten der Weiterverarbeitung von den Hybridteilen zu treffen.

Die Untersuchungen erfolgen in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt „Hybrides Verbundschmieden als Fügeverfahren für Aluminiummassivteile und Stahlbleche“ (DFG BE 1691/216-1).

Mareile Kriwall, Jan Langner, Malte Stonis, Bernd-Arno Behrens, IPH
Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH)
Hollerithallee 6, 30419 Hannover
Ansprechpartner ist Mareile Kriwall
Tel.: +49 511 27976-330
kriwall@iph-hannover.de
www.iph-hannover.de

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