A185

Thermisches Fügen für die stahlintensive Hybridbauweise im Fahrzeugleichtbau

(A185 / S 24/10038/02)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2002 - 31. Dezember 2004

Ziel des Projektes war das flussmittelfreie thermische Fügen von Mischverbindungen aus verzinktem Tiefziehstahl mit Aluminium, sowie aus einer Stahlkombination. Anhand unterschiedlicher Fügegeometrien sollten unter Beurteilung des mechanischen Eigenschaftsprofils und des Ermüdungs- und Korrosionsverhaltens die Einsatzmöglichkeiten derartiger Mischverbindungen untersucht werden.

Technologisch geeignet für die Mischbauweise Stahl-Aluminium sind die Schweißnahtgeometrien „Kehlnaht am Bördelstoß“ und „Kehlnaht am Überlapp“ die in einem Schweiß-Lötprozess mit einem Nd:YAG-Laser thermisch gefügt werden. Dabei schmilzt der Laserstrahl nur das Aluminiumblech und den eingebrachten Zusatzwerkstoff auf. Die entstehende Schmelze benetzt dann das Stahlblech, bzw. die Zinkschicht auf dem Stahlblech. Das günstige Benetzungsverhalten auf der Stahlseite lässt sich dabei durch einen metallurgischen Trick gewährleisten, da der Beschichtungswerkstoff artgleich, bzw. löslich zum Schweißzusatzwerkstoff gewählt wird. Dies ermöglicht das thermische Fügen von Aluminium-Stahl-Hybridverbindungen, ohne dass benetzungsfördernde Flussmittel nötig sind.
Der Stahl selbst darf nicht aufgeschmolzen werden, da sich ansonsten aus der Schmelze von Eisen und Aluminium intermetallische Phasen bilden, welche die Verbindung schon beim Abkühlen durch ihre spröde Materialcharakteristik wieder zerstören.

Bei angepasster Prozessstrategie lässt sich zuverlässig die Ausbildung von spröden intermetallischen Al-Fe-X-Phasen durch Diffusionsprozesse zwischen Lötung und Stahlblech während des Fügeprozesses auf eine nicht kritische Phasensaumdicke von unter 10µm reduzieren. Die werkstoffanalytischen Untersuchungen an der Verbindungszone auf der Stahlseite belegen, dass es sich hier nicht um die „klassischen“ spröden Al-Fe-X - sondern um AlFeZnSi-Phasen handelt.

Bei Verwendung von defokusierten Standardoptiken kommt es aufgrund der Gaußförmigen Leistungsverteilung zur Bildung einer intermetallischen Fe-Al Phase direkt aus dem schmelzflüssigen Zustand beider Metalle. Diese sind verantwortlich für eine starke Streuung der Festigkeitswerte der Verbindung. Bei Einsatz von Laserstrahloptiken mit einer gleichmäßigen Leistungsverteilung über den Strahlradius lässt sich diese Phasenbildung vermeiden.

Durch eine gezielte Vorwärmung des verzinkten Stahlbleches mit einem zweiten Laserstrahl lassen sich die Benetzungslänge und damit die Festigkeit der Schweiß-Lötverbindung weiter vergrößern. Dabei bleibt der Vorteil des Flussmittelfreien Fügens erhalten, da die Benetzungsförderung durch Einbringung von zusätzlicher Wärme erfolgt.

Die Laserschweiß-Gelötete Kehlnaht am Überlappstoß erreicht mit 210 N/mm2 im quasistatischen Zugversuch die höchsten Festigkeiten. Für optimierte Prozessparameter liegt das Festigkeitsniveau auf dem des Aluminium-Grundwerkstoffs, und der Versagensort der Mischverbindung liegt im Al-Blech. Diese Scherzugfestigkeit macht den Einsatz für Karosserieanwendun

gen, was die erzielbaren Festigkeiten angeht, vergleichbar zu Al-Al- Verbindungen. Die Schälzugfestigkeiten von Mischverbindungen liegen jedoch unter denen der artgleichen Materialkombination.

Durchgeführte Korrosionsuntersuchungen an Zugproben und H-Proben zur Bestimmung der Schwingfestigkeit an St-Al Mischverbindungen belegen zum einen, dass bei unbeschädigter Lackschicht der aufgebrachten Tauchlackierung das Festigkeitsniveau nach einem 90 Tage dauernden Salzsprühnebel-Klimawechsel Korrosionstest auf dem des Ausgangsniveaus liegen. Zum anderen, dass es bei einer schlechten Haftung der Lackschicht durch Verunreinigungen und Schweißspritzer zu lokaler Korrosion der Lötnaht kommen kann, welche die Festigkeit der Mischverbindung herabsetzen.

Das Umsetzungspotenzial der Forschungsergebnisse ist als hoch einzustufen. Hintergrund ist die zunehmende Multi-Material-Bauweise mit dem Ziel der Gewichtsreduzierung im Großserien-Karosserieleichtbau. Das neu entwickelte und optimierte Fügeverfahren steht dabei im Wettbewerb mit weiteren Technologien und ist die Basis für weitere Verfahrensoptimierungen.

Die projektrelevanten Veröffentlichungen sind unter der angegebenen Internetadresse in der Publikationsliste unter den Nummern 39, 47 und 49 zu finden.

Forschungsstelle 1:
Lehrstuhl Metallische Werkstoffe (MW) Universität Bayreuth
www.uni-bayreuth.de/departments/metalleForschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil Uwe Glatzel

(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF