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A237

Charakterisierung und Modellierung des Versagens von Laserstrahlschweißverbindungen von Stahlblechen für die Crashsimulation

(A237 S 24/10123/2006)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2007 - 30. April 2009

Die Entwicklung neuer hochfester Stahlwerkstoffe für den Einsatz in Automobilen hat neue Leichtbaupotenziale geschaffen. Die Umsetzung dieser Potenziale erfordert den Einsatz angepasster Fügeverfahren, die die anwendungsbezogenen Werkstoffeigenschaften mit optimalen Verbindungseigenschaften vereint. Mit der Entwicklung des Laserstrahlschweißens zu einer großserientauglichen Technologie steht ein Fügeverfahren zur Verfügung, mit dem sich die Leichtbaupotenziale aktueller hochfester Stahlwerkstoffe besser ausnutzen lassen. Die Vorteile des Laserstrahlschweißens liegen in der hohen Prozessgeschwindigkeit, der geringeren Wärmebelastung des Werkstoffs und der Flexibilität bezüglich der Nahtform und Nahtposition.

Fügeverbindungen sind hoch belastete Stellen der Gesamtstruktur, z.B. bei besonderen Belastungssituationen wie Crash. Die Crashsimulation benötigt zuverlässige und anwendbare Werkzeuge, um belastbare Aussagen über die Tragfähigkeit von Fügeverbindungen zu treffen. Aus Effizienzgründen können in Crashberechnungen von Gesamtfahrzeugstrukturen keine detaillierten Modelle für die Fügeverbindungen eingesetzt werden. Stattdessen verwendet man Ersatz-modelle, die das globale Verformungs- und Bruchverhalten der Verbindungen mit geringem Rechenaufwand wiedergeben sollen. Hierfür stehen bereits Methoden für Punktschweißverbindungen zur Verfügung, allerdings noch nicht für Laserstrahl-Schweißverbindungen.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Verifizierung und Bereitstellung einer numerischen Methode für die Crashsimulation von laserstrahlgeschweißten Automobilkomponenten auf Basis von Ersatzmodellen. Weiterhin war es Ziel, die zur Kalibrierung der Ersatzmodelle notwendigen Versuche und eine Vorgehensweise zur Kalibrierung zu bestimmen. Darauf aufbauend wurden quasistatische und dynamische Versuche an bauteilähnlichen T-Stoßproben zur Validierung der Übertragbarkeit der entwickelten Ersatzmodelle auf Mehrelementproben durchgeführt und mit den entsprechenden Simulationen verglichen.
Zur experimentellen Charakterisierung der Laserstrahl-Schweißverbindungen wurden metallographische Untersuchungen und die KS-2-Probentechnik mit den Belastungswinkeln 0°, 30°, 60° und 90° eingesetzt. Es wurden zudem Schälzugversuche durchgeführt, um die Nähte unter Biegebelastung zu prüfen und einfach überlappte Scherzugversuche, um den Einfluss der Orientierung der Scherbeanspruchung zu prüfen. Ein Teil der geprüften Proben wurde fraktographisch untersucht um die Versagensmechanismen zu bestimmen.

Die Linien- und Spline-Schweißnähte aus dem Werkstoff DC04 wiesen keine wesentlichen Unterschiede in ihrem Tragverhalten auf, weshalb beim höherfesten Mehrphasenstahl TRIP700 eine C-förmige Schweißnaht (Klammer) als Variation untersucht wurde. Die in den Verbindungsversuchen ermittelten Maximalkräfte und Verformungswege der Linienschweißnaht in TRIP700 zeigten starke versagensbedingte Streuungen, insbesondere bei den quasistatischen Versuchen unter Normalbelastung (KS-2-90°). Die fraktographische Untersuchungen der Bruchflächen zeigten neben duktilen Bruchanteilen auch Spaltbruchanteile mit transkristallinem Verlauf. Die Sprödbruchempfindlichkeit des TRIP700-Schweißguts, das maximale Härtewerte von über 500 HV0,1 aufwies und mögliche Schweißfehler erklären die Streuung der Versuchsergebnisse.

Die entwickelte Ersatzmodellierung beruht auf Volumenelementen und einem Cohesive-Materialmodell, dessen Schädigungsparameter, die maximalen Normal- und Scherspannungen und die zugehörigen Bruchenergien, durch Simulation des Kopfzug- und Scherzugversuchs bestimmt wurden. Die Exponenten im Schädigungsmodell wurden durch Simulation der Versuche unter kombinierter Belastung, KS-2-30° und KS-2-60°, bestimmt. Für die Berücksichtigung des Dehnrateneffekts wurden die dynamischen Kopfzug- und Scherzugversuche simuliert und Skalierungsfaktoren für die Schädigungsparameter bestimmt. Dabei wurden als Referenzdehnraten die nominellen Dehnraten aus den quasistatischen und dynamischen Versuchen verwen-det. Dies entspricht der empfohlenen Vorgehensweise zur Kalibrierung von Ersatzmodellen für Laserstrahl-Schweißverbindungen.

Zur Validierung der entwickelten Ersatzmodellierung und ihrer Übertragbarkeit auf komplexere Belastungen, wurden Versuche an bauteilähnlichen T-Stoßproben durchgeführt. Diese wurden unter quasistatischer und dynamischer Quer- und Längsbelastung geprüft. Dabei wurden Kraft-Wegkurven und Videoaufnahmen zur Dokumentation des Deformations- und Versagensverhaltens aufgezeichnet.

Die T-Stoßversuche wurden mit den aufgestellten und kalibrierten Ersatzmodellen für die Linien- und Klammerschweißnähte simuliert. Bei der Simulation der Versuche mit T-Stoßproben aus DC04 mit Linienschweißnähten wurden die Kraft-Wegverläufe unter Längsbelastung gut wiedergegeben. Die Simulationen der Versuche unter Querbelastung konnten die beobachtete Abhängigkeit des Nahtversagens von der Verwendung eines Einlegers beschreiben und die gemessenen Tragfähigkeiten mit geringen Unterschätzungen berechnen. Auch die gemessenen Kraft-Wegverläufe bei dynamischer Belastung wurden prinzipiell, allerdings mit Abweichungen bzgl. der Absolutwerte in Kraft und Weg, wiedergegeben. Für den Werkstoff TRIP700 ergab die Berechnung der Längsbelastung teilweise eine sehr gute Wiedergabe der Kräfte bei Versagen der seitlichen Linienschweißnähte durch Scherbruch. Die Analyse der berechneten, lokalen Belastungen dieser Schweißnähte unter Längs- und Querbelastung zeigte, dass die Scherung in Nahtbreitenrichtung dominant und somit die Belastung und das Versagen in der einfach überlappten Scherzugprobe relevant war. Bei der T-Stoßprobe mit Laschen unterlagen die Schweißnähte Zug- und Biegebeanspruchungen. Das Kraftniveau bei Versagen der unter Zug belasteten Linienschweißnähte wurde auch mit Verwendung von Parametern für spröden Trennbruch überschätzt. Dies ist die Folge der Probabilistik des Versagens der TRIP700-Linienschweißnähte unter Normalbeanspruchung, die durch die Sprödbruchempfindlichkeit des Schweißguts und mögliche Schweißfehler verursacht wird. Das Versagensverhalten der Klammerschweißnähte in TRIP700 und die gemessenen Kraft-Wegkurven in den quasistatischen und dynamischen T-Stoßversuchen konnten mit dem kalibrierten Ersatzmodell für die Klammerschweißnaht gut wiedergegeben werden.

Abgesehen von den Effekten, die durch die Streuung des Versagens der Lasernähte in TRIP700 und durch die Nahtausbildung beim Laserschweißen erzeugt werden, konnte die aufgestellte Ersatzmodellierung für den Einsatz in Crashberechnungen von lasergeschweißten Automobilkomponenten in diesem Forschungsvorhaben verifiziert werden.

Forschungsstelle 1:
Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
www.iwm.fhg.de

Forschungsleiter 1:

Prof. Dr. Peter Gumbsch

Forschungsstelle 2:

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) Universität Paderborn
www.lwf.uni-paderborn.de

Forschungsleiter 2:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

(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